次の新しいプロトン伝導体

Jan 13, 2024

東工大の科学者らは、プロトンセラミック燃料電池用の有望なプロトン伝導体としてBa2LuAlO5を発見した。 この酸化物は、化学ドーピングなしでも、487℃で10−2 S cm−1、232℃で1.5 × 10−3 S cm−1のプロトン伝導率、高い拡散率、および高い化学的安定性を示します。 これらの新しい洞察は、より安全でより効率的なエネルギー技術への道を開く可能性があります。

この研究に関するオープンアクセス論文は、Communications Materials に掲載されています。

Ba2LuAlO5 は酸素欠乏性の高い六方最密 h' 層を有する六方晶系ペロブスカイト関連酸化物であり、Ba2LuAlO5・x H2O 中で大量の水分取り込み x = 0.50 を可能にします。 非経験的分子動力学シミュレーションと中性子回折により、h' 層内の水和と、主に八面体 LuO6 層の界面に存在する立方最密充填 c 層周囲のプロトン移動が示されました。 これらの結果は、高度に酸素欠乏で立方最密の層によって可能になる高いプロトン伝導が、高性能プロトン伝導体の開発にとって有望な戦略であることを示しています。

固体酸化物をベースとする典型的な燃料電池には、通常 700 °C 以上の高温で動作するという顕著な欠点があります。 多くの科学者が代わりにプロトンセラミック燃料電池 (PCFC) に注目しているのはそのためです。 これらのセルは、酸化物陰イオン (O2-) の代わりに陽子 (H+) を伝導する特殊なセラミックを使用しています。 PCFC は動作温度が 300 ～ 600 °C の範囲ではるかに低いため、他のほとんどの燃料電池と比較して、低コストで安定したエネルギー供給を確保できます。 残念ながら、妥当な性能を備えたプロトン伝導材料は現在わずかしか知られていないため、この分野の進歩が遅れています。

この課題に対処するために、日本の東京工業大学 (東工大) の八島正智教授を含む研究者チームは、PCFC 用の優れたプロトン伝導体候補を探してきました。

八島教授らは、固有酸素欠損を多く持つ化合物の発見に注力し、Ba2LuAlO5を発見した。 これは、プロトン伝導におけるこれらの空孔の重要性を強調した以前の研究の結果によって動機づけられました。

彼らは、分子動力学シミュレーションと中性子回折測定を通じて、Ba2LuAlO5 の 2 つの重要な特性を学びました。 1 つ目は、この酸化物が他の同様の材料と比較して多くの水 (H2O) を吸収して、Ba2LuAlO5.0.5H2O を形成することです。 この大量の水の取り込みは、AlO4 四面体の 2 つの対向する層内で発生し、六方最密充填 h´ BaO 層内の多数の固有酸素空孔によって可能になります。 次に、酸化物の水分含量が高くなると、プロトン濃度の上昇やプロトンホッピングの強化など、さまざまなメカニズムを通じてプロトン伝導性が増加します。

2 番目の重要な特性は、陽子がどのように Ba2LuAlO5 を移動するかに関連しています。 シミュレーションにより、陽子は主に、AlO4 層を通ってではなく、立方最密充填 c BaO3 層を形成する LuO6 層の界面に沿って拡散することが明らかになりました。 この情報は、他のプロトン伝導性材料の探索において重要となる可能性があります。

研究者らは、今後の研究でBa2LuAlO5をベースにした他のプロトン伝導材料を発見することを期待している。

Ba2LuAlO5の化学組成を変えることで、さらなるプロトン伝導性の向上が期待できます。 たとえば、ペロブスカイト関連酸化物 Ba2LuAlO5 も、その構造が Ba2LuAlO5 の構造と非常に似ているため、高い導電性を示す可能性があります。

リソース

Riho Morikawa, Taito Murakami, Kotaro Fujii, Maxim Avdeev, Yoichi Ikeda, Yusuke Nambu, and Masatomo Yashima (2023) "High Proton Conduction in Ba2LuAlO5 with Highly Oxygen Deficient Layers" Communications Materials doi: 10.1038/s43246-023-00364-5

投稿日: 07 June 2023 in 燃料電池, 市場の背景, 材料 | パーマリンク | コメント (0)