• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2012 年度 実施状況報告書

プロトン伝導性酸化物における界面イオン伝導機構に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 23760629
研究機関一般財団法人ファインセラミックスセンター

研究代表者

桑原 彰秀  一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 研究員 (30378799)

キーワード第一原理計算 / プロトン伝導体 / 界面
研究概要

平成24年度は代表的なプロトン伝導体であるBaZrO3においてドナー型とアクセプター型の欠陥における会合対の形成エネルギーを計算し、単欠陥と複合欠陥の全てを考慮した欠陥平衡濃度の導出を行った。イオン伝導のキャリアであるプロトンを導入するためにYやScなどのアクセプター型のドーパントが添加される。しかし、低温においては導入されたプロトンのほとんどがアクセプター欠陥である添加元素と会合対を形成する。会合対は主要な欠陥種であり無視することはできないことが明らかになった。このような添加元素近傍にトラップされたプロトンは長距離拡散を必要とするイオン伝導には寄与できない不活性キャリアと考えられる。このためイオン伝導度の熱活性化エネルギーには移動エネルギーに加えて会合エネルギーも含まれる。高プロトン伝導体の創出には、こうした会合エネルギーの低減も必要と考えられる。
BaZrO3(001)-Pt(001)の電極-電解質整合界面モデルを構築し、その界面安定性や電子構造の詳細な解析を行った。電極界面近傍1nm程度のBaZrO3において価電子帯の主成分であるOの2p軌道とPtの5d軌道の混成によりバンドギャップが消失して金属的な電子構造になっていることが明らかとなった。界面近傍では、酸素空孔やプロトンは形成しやすいことも明らかとなった。
当初の計画には含まれていなかったが、第一原理計算による欠陥形成エネルギーの計算と熱力学に基づく欠陥平衡を考慮することで、TiO2における粒内、(110)表面における欠陥形成挙動の温度・分圧依存性を定量的に明らかにした。

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

当初の予定には無かったが、会合対を考慮した熱平衡欠陥濃度の評価の結果、会合モデルは主要な欠陥種であり無視できないという重要な成果を得ることができた。イオン伝導体におけるキャリア濃度の定量評価において極めて有意義である。今後の界面モデルの平衡濃度モデルにおいても会合対を考慮する。Pt電極とBaZrO3電解質の界面モデルの計算により、金属-半導体界面では言われている金属誘起界面準位が形成されていること、電極電解質界面で欠陥が形成しやすい傾向にあることが明らかになり、異相界面に関する成果も十分に達成されている。また光触媒材料であるTiO2の粒内・表面におけるプロトン由来の欠陥生成に関する成果もまた有意義な成果である。

今後の研究の推進方策

BaZrO3の粒界モデルとしてΣ5対応粒界モデルを採用することを予定している。粒内における欠陥平衡反応から決定された主要な欠陥種群を選択し、界面でのカチオン元素の不定比性の可能性についても考慮した粒界における点欠陥形成エネルギーの計算、得られたエネルギーに基づく熱平衡濃度の導出とその気相分圧依存性を解析する。

次年度の研究費の使用計画

該当なし

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2013 2012

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (3件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Defect Chemistry of Rutile TiO2 from First Principles Calculations2013

    • 著者名/発表者名
      Tor S. Bjorheim, Akihide Kuwabara, Truls Norby
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry C

      巻: 117 ページ: 5919-5930

    • DOI

      10.1021/jp304146e

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Local structural arrangements around oxygen and hydrogen-related defects in proton conducting LaP3O9 investigated by first principles calculations2012

    • 著者名/発表者名
      Koji Amezawa, Hayato Takahashi, Akihide Kuwabara, Atsushi Unemoto, Tatsuya Kawada
    • 雑誌名

      International Journal of Hydrogen Energy

      巻: 37 ページ: 7995-8003

    • DOI

      10.1016/j.ijhydene.2011.11.069

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Defects at the (110) surface of rutile TiO2 from ab initio calculations2012

    • 著者名/発表者名
      Tor S. Bjorheim, Akihide Kuwabara, Chris E Mohn, Truls Norby
    • 雑誌名

      International Journal of Hydrogen Energy

      巻: 37 ページ: 8110-8117

    • DOI

      10.1016/j.ijhydene.2011.12.165

    • 査読あり
  • [学会発表] プロトン伝導性BaZrO3における欠陥会合状態の影響2013

    • 著者名/発表者名
      桑原彰秀、Craig A. J. Fisher、森分博紀、豊浦和明、松永克志 小山幸典、大場史康、田中功
    • 学会等名
      公益社団法人日本セラミックス協会 2013年 年会
    • 発表場所
      東京工業大学、東京
    • 年月日
      20130317-20130319
  • [学会発表] First Principles Calculations of Point Defect Formation in Solid State Ionics Materials2012

    • 著者名/発表者名
      Akihide Kuwabara
    • 学会等名
      Nonstoichiometric Compounds V
    • 発表場所
      Capo Dei Greci Hotel Resort and Spa, シシリー, イタリア
    • 年月日
      20120923-20120928
    • 招待講演
  • [学会発表] Theoretical Modeling of Defect Formation Behavior in Acceptor-doped BaZrO3 using DFT calculations2012

    • 著者名/発表者名
      Akihide Kuwabara, Kazuaki Toyoura, Yukinori Koyama, Craig A. J. Fisher, Fumiyasu Oba, Katsuyuki Matsunaga, Hiroki Moriwake, Isao Tanaka
    • 学会等名
      Solid State Proton Conductor 16
    • 発表場所
      MINATEC, グルノーブル, フランス
    • 年月日
      20120909-20120916

URL: 

公開日: 2014-07-24  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi