従来の10倍のプロトンを含む新たなイオン伝導体を合成 東北大学

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東北大学は2021年7月30日、同大学院工学研究科の研究グループが、従来の約10倍のプロトンを含有し、450〜500℃の中温領域で10-2S/cmの高いプロトン伝導性を示すイオン伝導体の合成に成功したと発表した。この成果は、2021年7月29日(日本時間)に米国化学会の学術誌『Chemistry of Materials』に掲載された。

研究グループは、異種金属のドーピングに頼らず多量のプロトンを酸化物に導入する研究に取り組んでおり、高圧合成法に着目。Ba-Sc系酸化物を使って、1200℃、8万気圧の条件下で従来の約10倍のプロトンを含有する酸化物(プロトン伝導体)の合成に成功した。この伝導体の化学式はBaSc0.67O(OH)2で、Scの3分の1が欠損して空孔となっており、その空孔と電気的中性を保つように多量のプロトンが導入されることが判明した。

これについて、第一原理計算を使って調べたところ、空孔位置周辺の酸素と結合したプロトンが空孔位置を向く特異な形態で配位し、隣接するSc空孔位置に容易に拡散することが分かった。

現在、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)が家庭での水素発電用に実用化され、余剰電力で水蒸気から水素を高効率に製造する固体酸化物形電解セル(Solid Oxide Electrolysis Cell:SOEC)も活用が進んでいる。今後、こうしたデバイスを高効率化し、普及促進を図るには電解質材料であるプロトン伝導体の開発が欠かせない。

これまで、Ba-Zr系酸化物などが高いプロトン伝導度を示すことは知られていたが、可動イオンのプロトンを導入するには、異種金属元素のドーピングが必要で、ドーピング量によってプロトン量が制約されたり、ドーピングされた金属イオンとプロトンが静電引力で結合してプロトンがトラップされてしまったりする課題があった。

今回の高圧合成によって多量のプロトンを酸化物中に導入する手法は、他の材料系のプロトン伝導体や、小さな可動イオンを含むリチウム系酸化物にも適用できると考えられ、全固体電池の電解質への応用も期待できる。

しかし、今回合成に成功したプロトン伝導体のプロトン量は過剰であることも考えられることから、研究グループは、より高いプロトン伝導度を達成するにはプロトン量最適化が必要とし、8万気圧という特殊な高圧環境下ではなく、より常圧に近い条件で合成する手法の開発も重要であるとしている。

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