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アパタイト型酸化物イオン伝導体における高イオン伝導度の要因を解明-定説くつがえす格子間酸素の不在-

カテゴリ:プレスリリース|2018年04月27日掲載


東京工業大学
名古屋工業大学
新居浜工業高等専門学校
総合科学研究機構
日本原子力研究開発機構
J-PARCセンター

要点

  • アパタイト型酸化物イオン伝導体には格子間酸素が存在せず、Si空孔が存在
  • 高いイオン伝導度の要因は結晶構造中に存在する酸化物イオンの不安定化だった
  • 高性能な燃料電池やセンサー、酸素分離膜などの開発につながると期待

図_福田先生.jpg
図:単結晶中性子回折法で明らかにしたアパタイト型酸化物イオン伝導体La9.333Si6O26および
La9.565(Si5.8260.174)O26の結晶構造と高いイオン伝導度発現の要因

概要

 東京工業大学 理学院 化学系の藤井孝太郎助教、八島正知教授らの研究グループは、名古屋工業大学 大学院 生命・応用化学専攻の福田功一郎教授、新居浜工業高等専門学校 生物応用化学科の中山享教授、名古屋工業大学の石澤伸夫名誉教授、総合科学研究機構(CROSS)中性子科学センターの花島隆泰研究員、日本原子力研究開発機構 J-PARCセンターの大原高志研究主幹と共同で、アパタイト型酸化物イオン伝導体※1が示す高いイオン伝導度の要因を原子レベルで初めて明らかにした。この材料は、近年注目されている固体酸化物形燃料電池(SOFCまたはSOFCs)やセンサー、酸素分離膜※2などへの応用が可能で、今後エネルギー・環境問題を解決する糸口になる可能性がある。
 従来、アパタイト型酸化物イオン伝導体の高いイオン伝導度は、結晶構造中の格子間酸素※3の存在が要因であると言われてきたが、今回の実験では格子間酸素の存在は確認されず、その代わりにシリコン(Si)空孔があり、結晶構造中に存在する酸化物イオンが特定の方向に広く分布することが高イオン伝導度の構造的要因であることを明らかにした。本成果は、英国王立化学会が発行する材料化学の国際誌Journal of Materials Chemistry. Aに2018年4月16日に先行公開され、電子版と冊子版は刊行予定である。

※1 アパタイト型酸化物イオン伝導体
アパタイト型化合物はA10-x(XO4)6Yy ( = A10-xX6O24 Yy )の化学式を持ち、図2に示すようにXO4 (X=Si, Mg, Ge, Pなど)四面体と陽イオンAA=La, Caなど)とイオンY (Y = O, OH, F, Clなど)から成り、六方晶系の基本構造をとる。ここで下付添え字のxyは各々陽イオンAと陰イオンYの空孔量あるいは過剰量を示す。固体または液体中を酸化物イオン(O)が移動可能な物質を酸化物イオン伝導体と呼ぶ。アパタイト型希土類(R)シリケート(AR, X = Si, Y = O; R10-x(SiO4)6Oy ( = R10-xSi6O26±y ))が高い酸化物イオン伝導度を示す酸化物イオン伝導体であることが、1990年代に新居浜高専の中山享教授らによって発見された。アパタイト型希土類シリケートは600℃以下の中低温で比較的高いイオン伝導度を有する有望なイオン伝導体である。
※2 固体酸化物形燃料電池(SOFCまたはSOFCs)、センサー、酸素分離膜
燃料電池は水素などの燃料から電気化学反応により発電する電池のこと。酸化物イオン伝導体は固体酸化物形燃料電池の固体電解質あるいは電極材料になりうる。センサーは特定の環境変化を認識する装置のことで、酸素量を計測できる酸素センサーは自動車の排気ガス中の酸素量を測定することなどができる。酸素分離膜は酸素のみを透過する膜で、高純度の酸素を生成する材料として利用できる。
※3 格子間酸素
結晶構造は周期的に原子が並ぶ構造をしており、その原子配列のすき間(格子間)に存在する酸化物イオンのことを格子間酸素と呼ぶ。

論文出版

掲載紙: Journal of Materials Chemistry A
論文名: "High oxide-ion conductivity by the overbonded channel oxygens in Si-deficient La9.565(Si5.8260.174)O26 apatite without interstitial oxygens"
著 者: Kotaro Fujii, Masatomo Yashima,* Keisuke Hibino, Masahiro Shiraiwa, Koichiro Fukuda, Susumu Nakayama, Nobuo Ishizawa, Takayasu Hanashima and Takashi Ohhara (* 問い合わせ先著者)
DOI : 10.1039/C8TA02237B
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/TA/C8TA02237B#!divAbstract

また、この研究はEurekAlert!でも紹介されています。

詳細

プレスリリース全文(PDF)をご覧ください。

問い合わせ先

研究に関すること

名古屋工業大学 大学院 生命・応用化学専攻 教授
福田 功一郎
Email: fukuda.koichiro[at]nitech.ac.jp *[at]を@に置換してください。
TEL: 052-735-5289
研究室ホームページ

名古屋工業大学 先進セラミックス研究センター 名誉教授
石澤 伸夫
Email: ishizawa[at]nitech.ac.jp *[at]を@に置換してください。

広報に関すること

名古屋工業大学 企画広報課 広報室
Email: pr[at]adm.nitech.ac.jp *[at]を@に置換してください。
TEL: 052-735-5316


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