| 研究課題/領域番号 |
18K04712
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| 研究機関 | 東京理科大学 |
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研究代表者 |
田中 優実 東京理科大学, 工学部工業化学科, 准教授 (00436619)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 炭酸アパタイト / 酸化物イオン伝導 / セラミックス / 固体電解質 / ドーピング / イオン伝導機構 |
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| 研究実績の概要 |
水酸アパタイト（Ca10(PO4)6(OH)2)のCa2+とPO43-の一部をNa+とCO32-によってそれぞれ置換し（Na-BCA）、さらにOH-の一部をF-で置換したNa/F添加B型炭酸アパタイト（Na-FCA）は、600～800℃で10-3～10-2 S/cmの良好なO2-伝導を示す。そこで本研究では、現在明らかとはなっていないBCA系セラミックスのO2-伝導機構を解明し、500～600℃で10-2 S/cmを実現する新たな電解質の設計に繋げること、さらに実用デバイスに対するBCA系電解質の適用について検討することを目的とした。この達成に向けた本年度の実施項目および成果の概要は以下のとおりである。
・一価カチオンがFCAの導電挙動に及ぼす影響に関する検討：Ca2+をLi+、Na+、K+で部分置換したFCA（CO32-=4.8-9.4％(m/m)、F-=3.7-3.9％(m/m)）を作製し、導電挙動を比較した。結果、Li系で500℃、Na系で550℃、K系で670℃付近にそれぞれ特異な導電率の立ち上がり（M+/O2-間の欠陥会合の形成とその解離に基づく熱誘起的・可逆的なイオン伝導パスの変化に起因するものと想定）が見られ、導電率の立ち上がり温度が一価カチオンの違いにより系統的に変化することを確認した
・一価カチオンがBCAの導電挙動に及ぼす影響に関する検討：Ca2+をLi+、Na+、K+で部分置換したBCA（CO32-=4.7-13.8％(m/m)）を作製し、導電挙動を比較した。結果、Li系（CO32-=約4.7％(m/m)）で700℃、Na、K系（13.2-13.8％(m/m)）で800℃付近に導電率の立ち上がりが生じることを確認した。なお、Na-BCAに関するこれまでの研究経緯において、炭酸含有量が少ない場合、800℃までに「立ち上がり」が見られないことが分かっている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
FCAのみならずBCA系においても、一価カチオンドーパント種および炭酸含有量を制御する（M+/O2-間の欠陥会合安定性を低下させる）ことで、導電率の特異な立ち上がりに基づく10-2 S/cmオーダーの導電率の発現およびその低温化が見込めることを示した。これは、BCA系セラミックのO2-伝導機構の解明はもちろん、500～600℃で10-2 S/cmを実現する新たな電解質の設計に向けた大きな成果である。BCA系セラミックを電解質とするSOFCの発電評価については、現在、再現性ある発電試験結果を提示する段階には至っていないが、評価系の構築は着実に進めている。以上の状況を踏まえて、本研究の初年度の進捗としては、おおむね順調に進展していると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
・BCA系試料群の組成が導電挙動に及ぼす影響に関する検討：昨年度に引き続き、BCA及びFCAへの系統的な一価カチオン置換（アルカリ金属イオン）および炭酸含有量の制御を試みるとともに、計算的手法を取り入れつつ、一価カチオンの置換率や置換カチオンの性状および炭酸含有量の違いが欠陥構造およびイオン伝導特性に与える影響について検討する。また、OH-サイトのアニオン置換（F-、Cl-、O2-）の影響についても同様に検討する。第一原理計算に関しては、大阪大学の設楽助教による助言と協力を仰ぐ。
・Na-FCAセラミックを電解質とするSOFCの構築と発電特性評価：600℃以上で10-2 S/cmオーダーの高い導電率を示すNa-FCAセラミックを電解質としたSOFC評価系を構築し、発電特性を評価することで、実用デバイスに対するBCA系電解質の本格的な導入に向けた指針の構築につなげる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
感染症拡大の影響により、2020年3月中旬～下旬における消耗品利用が想定より少なかったことから、6万弱の余剰が生じた。
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