| 研究課題/領域番号 |
24246107
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
八島 正知 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (00239740)
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| 研究分担者 |
石原 達己 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80184555)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| キーワード | イオン伝導体 |
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| 研究概要 |
純酸化物イオン伝導体および酸化物イオン－電子混合伝導体などの、酸化物イオン伝導性材料は、燃料電池、酸素分離膜およびガスセンサーなどに幅広く応用されている。酸化物イオン伝導度は結晶構造に強く依存するので、新しい構造ファミリーに属する新規酸化物イオン伝導体を発見すれば、酸化物イオン伝導体の応用の革新的発展へ向けた新しい扉を開けると期待される。また、酸化物イオン伝導経路を調べて伝導機構を明らかにすることはイオン伝導体の開発に役立つ。
新しい層状ペロブスカイト関連構造をデザインするために、AA'BO4の様々な化学組成を調べた。AA'BO4のAとA'は大きな陽イオンであり、Bは小さな陽イオンである。本研究で多くの化学組成を調べた後、酸化物イオン伝導性材料の新しい構造ファミリーであるNdBaInO4を発見した。NdBaInO4試料は、新しい結晶構造を持つ単斜単相（空間群はP21/c）であり、イオン伝導性を示すことを見出した。また、NdBaInO4の酸化物イオンの拡散経路を結合原子価法により可視化した。酸化物イオンはA-O (Nd-O)ユニット内を2次元に移動することがわかった。
PrBaCo2O5+δの結晶構造と核密度分布を中性子回折データのリートベルトおよびMEM解析により検討した。PrBaCo2O5+δには大量の酸素空孔がプラセオジムの近くの頂点酸素O2席に存在していることが分かった。このプラセオジム近くの頂点酸素O2と、コバルト－酸素面上の酸素O3を介して酸化物イオンが移動する。移動する方向は<110>方向であることがわかった。酸化物イオンの拡散経路は二次元のネットワークを形成する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
純酸化物イオン伝導体および酸化物イオン－電子混合伝導体などの、酸化物イオン伝導性材料は、燃料電池、酸素分離膜およびガスセンサーなどに幅広く応用されている。酸化物イオン伝導度は結晶構造に強く依存するので、新しい構造ファミリーに属する新規酸化物イオン伝導体を発見すれば、酸化物イオン伝導体の応用の革新的発展へ向けた新しい扉を開けると期待される。本年度はd10 Inを含む新規イオン伝導体を精力的に探索して、新物質NdBaInO4を発見するに至った。この新物質は、過去に報告の無い全く新しい結晶構造を持つことが、未知構造解析により判明した。新物質NdBaInO4はイオン伝導性を示すことも、本課題において実証した。すなわち本課題により新しい構造ファミリーを見つけることができたので、当初の計画以上の進展であるといえる。本課題ではさらにGaを含む新規の構造を持つ新イオン伝導体の発見もできそうであり、本研究課題の更なる進展が期待される。また2013年度には今まで未解明であったPrBaCo2O5+δにおける酸化物イオン伝導の移動経路を可視化することに成功した。さらにプロトン伝導体である水酸アパタイトにおけるプロトン伝導経路の可視化にも成功した。以上のように、当初の計画以上に進展が見られた。今年度2014年度更なる進展が期待される。
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| 今後の研究の推進方策 |
多彩なd10などの金属酸化物イオン伝導体におけるイオンの拡散経路の体系化と、それに基づいた材料の構造設計を可能にして、燃料電池材料の開発を目指す。d10元素を含む新しいイオン伝導体の開発に鋭意取り組み、(A1-xA’x)2(B1-y-zB’yB’’z)O4+δおよび(A1-xA’x)2(B1-y-zB’yB’’z)2O5+δ (δは過剰酸素量)が発見できそうな予備的な結果について、データを積み重ねて新物質発見に結び付ける。特に力を入れるのは、過去に全く報告がない「新しい結晶構造の型」の探索であり、新しいタイプのイオン伝導性材料への展開を目指す。本課題は、結晶構造に基づいた新物質の探索であり、平行して既存の類縁材料の精密構造解析や理論による評価も行っていく。本課題ではさらにGaを含む新規の構造を持つ新イオン伝導体の発見もできそうであり、2014年度本年度にはこの新イオン伝導体を中心に研究を進めていく。具体的にはGaを含む複酸化物を固相法により合成し、X線回折により評価する。そして単相ができた組成について中性子回折測定、イオン伝導度の測定、放射光X線回折測定を行い、結晶構造を解析し、イオン伝導性を評価する。特に、高温において中性子回折測定を行い、結晶構造とイオン伝導度の関係を明らかにしたい。中性子回折測定は、J-PARCおよび韓国のHANAROで実施する。
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