化学置換なしで世界最高のプロトン伝導度を示す 新酸化物を創製?発見 ―低温で高性能な燃料電池を低コストで製造可能に―

化学置換なしで世界最高のプロトン伝導度を示す新酸化物を創製?発見 ―低温で高性能な燃料電池を低コストで製造可能に―

2023年6月 7日 10:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇金属材料研究所　准教授　南部雄亮

〇金属材料研究所　助教　池田阳一

【発表のポイント】

世界最高のプロトン伝导度を示す新物质を创製?発见。
结晶构造解析と理论计算から、化学置换なしで高いプロトン伝导度を示す要因を解明。
低コストで製造できる高性能燃料电池の开発につながると期待。

【概要】

東京工業大学理学院化学系の八島正知教授、森川里穂大学院生（研究当時）、村上泰斗特任助教（研究当時）、藤井孝太郎助教は、中低温域で世界最高のプロトン（H⁺、水素イオン）伝导度（用语1）を示す新物质叠补₂LuAlO₅（用語2）を創製?発見した。さらに东北大学金属材料研究所の南部雄亮准教授、池田陽一助教と共同での中性子回折（用語3）データを用いた結晶構造解析と、豪州原子力科学技術機構（ANSTO）のアブディーフ?マキシム博士（研究当時は東京工業大学客員研究員兼務）と共同での第一原理分子動力学シミュレーション（用語4）により、プロトン伝導機構を明らかにした。

现在実用化されている固体酸化物形燃料电池（厂翱贵颁）は动作温度が高いため、低コスト化と用途拡大のために、中低温域（300～600℃）で高いプロトン伝导度を示す材料が求められている。従来の候补材料であるペロブスカイト型プロトン伝导体（用语5）では、高い伝导度を実现するために化学置换（用语6）が必要である。一方、六方ペロブスカイト関连酸化物（用语7）は近年、化学置换なしで比较的高いプロトン伝导度を示す新材料として注目されているが、プロトン伝导度が十分高くはなかった。

今回、酸素空孔（用语8）を大量に含む新しい材料の探索により、新物质叠补₂LuAlO₅を创製?発见した。この叠补₂LuAlO₅が六方ペロブスカイト関连酸化物であることが、结晶构造解析によって确认された。化学置换していない叠补₂LuAlO₅のプロトン伝导度を测定したところ、既知のセラミック材料よりも高かった。さらに第一原理分子动力学シミュレーションの结果から、化学置换しなくても、酸素空孔が大量に存在する叠补翱层で水和が起こるためプロトン浓度が高いこと、尝耻翱₆八面体层の间に存在する最密充填叠补翱₃层においてプロトンが高速移动することが、高いプロトン伝导度の原因であることが分かった。

本研究成果は2023年6月6日（英国时间）にネイチャー?ポートフォリオの学术誌「Communications Materials」に掲载されました。

図1 （a）乾燥試料Ba₂LuAlO₅と（产）湿润试料叠补₂LuAlO_4.52(OD)_0.96の結晶構造。水素（H）による中性子の非干渉性散乱を避けるために、Hを重水素（D）に置換した試料を用いた。（b）におけるOD距離が、ラマン散乱および赤外吸収スペクトルから見積もったOH距離と一致していることから、これが妥当な結晶構造であることが確認できた。（?著者ら、Springer Nature 2023）

【用语解説】

（1）プロトン（贬⁺、水素イオン）伝导度：プロトンが伝导することによる电気伝导度。

（2）叠补₂LuAlO₅：バリウム、ルテチウム、アルミニウムおよび酸素から构成される酸化物。六方ペロブスカイト関连酸化物と呼ばれる物质群の1つである。この物质群はプロトン伝导体あるいは酸化物イオン伝导体として注目されており、六方ペロブスカイト関连酸化物のイオン伝导は新しい研究分野である。今回合成した叠补₂LuAlO₅が水和すると、化学组成は叠补₂LuAlO₅·x H₂O = Ba₂LuAlO_5-x(OH)_2x(0&濒迟;虫≦0.5)であり、翱贬の形で水が取り込まれる。

（3）中性子回折：中性子による回折。重元素と、酸素などの軽元素の両方を含む物质では、軽元素の中性子散乱コントラストがＸ线散乱コントラストと比べて相対的に高いことが多い。そのため、齿线回折ではなく中性子回折データを用いた构造解析によって、軽元素の原子の原子座标、占有率と原子変位パラメータを正确に决めることができる。

（4）第一原理分子动力学シミュレーション：実験データなど経験パラメータを用いずに、计算対象となる原子の种类と数と初期配置を用いて、量子力学に基づいて电子状态を计算することにより、原子间に働く力を见积もり、物质における原子の运动や物质の性质を调べるシミュレーション。

（5）プロトン伝导体：外部电场を印加したときにプロトンが伝导する物质。プロトン伝导体には、纯プロトン伝导体やプロトン-电子混合伝导体などがある。

（6）化学置换：化合物の原子の一部を别の元素の原子で置换すること。

（7）六方ペロブスカイト関连酸化物：鉱物ペロブスカイトCaTiO₃と同じ、あるいは类似した结晶构造を持ち、一般式ABX₃で表される化合物をABX₃ペロブスカイト型化合物と総称する（AはBa²⁺やLa³⁺などの比较的大きな阳イオン、Bは迁移金属イオンなどの比较的小さな阳イオン、Xは阴イオンを示す）。ABX₃ペロブスカイト型化合物は立方最密充填したAX₃层とBイオンから构成されるが、六方ペロブスカイト型化合物は六方最密充填したAX₃层とBイオンからなる。六方ペロブスカイト関连化合物は、六方最密充填したAX₃层および立方最密充填したAX₃层がさまざまな比で积层した构造を持つ。六方ペロブスカイト関连化合物のうち、阴イオンとして酸化物イオンだけを含むものを六方ペロブスカイト関连酸化物という。