中温域で高いプロトン伝導度と安定性を示す新規プロトン伝導体を発見：研究開発の最前線

東京工業大学は、中低温域で高いプロトン伝導度を示す、新しい六方ペロブスカイト関連酸化物を発見した。水の取り込み率は完全水和の100％で、300℃付近の中温域で高い化学的安定性を兼ね備えている。

[MONOist]

　東京工業大学は2024年7月8日、中低温域で高いプロトン（H^＋：水素イオン）伝導度を示す、新しい六方ペロブスカイト関連酸化物を発見したと発表した。

　研究グループは2020年に、化学置換なしで比較的高いプロトン伝導度を得られる六方ペロブスカイト関連酸化物のBa₅Er₂Al₂ZrO₁₃を発見している。水の取り込み率を改善すればさらに伝導度を向上できると考え、今回は完全水和した六方ペロブスカイト関連酸化物を探索していた。

　探索の結果、Ba₅Er₂Al₂SnO₁₃が、従来材料のBaCe_0.9Y_0.1O_2.95に比べて16倍高いプロトン伝導度を示すことを発見。熱重量分析と中性子回折データを用いて、東北大学と共同で解析したところ、BaO層に存在する酸素空孔が水を取り込み、プロトン濃度が高いことが判明した。

　また、一原理分子動力学シミュレーションにより、［ErO₆‐ZrO₆‐ErO₆］八面体層におけるプロトンの高速移動が判明しており、これらが高プロトン伝導度を誘発すると考えられる。

新材料の（a）プロトン伝導度のアレニウスプロット、（b）水の取り込み率およびプロトン濃度、(c）第一原理分子動力学シミュレーションにより得られたプロトンの軌跡 出所：東京工業大学

　新材料の水の取り込み率は完全水和の100％で、湿潤酸素中、湿潤空気中、湿潤二酸化炭素中、湿潤水素中の各条件において、600℃で熱処理しても分解しない高い化学的安定性を兼ね備えている。

　300℃付近の中温域で高いプロトン伝導度と安定性を示す新規プロトン伝導体の発見により、プロトン伝導体を電解質として用いる、プロトン伝導性燃料電池（PCFC）への応用が期待される。

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