synthesis and cyrstal structure of a new proton solid electrolyte that operates in a wide temperature range

宽温度范围内工作的新型质子固体电解质的合成和晶体结构

• 批准号: 21K05246
• 负责人: 松田 泰明
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Chiba Institute of Technology (2022)Osaka Institute of Technology (2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K05246/
• 关键词: プロトン導電体; リン酸塩; 燃料電池; 新規物質; 結晶構造; 中性子

水素を用いた次世代発電デバイスのために、室温から500度の温度域で熱的安定性と高プロトン導電特性を両有するプロトン固体電解質の開発が切望されている。本研究は、上記の特性を満たす新規物質であるトンネル型リン酸塩の結晶構造と電気化学特性との相関を明らかにし、「固体中の二次結合（水素結合）の制御と機能創出」に関連する次世代エネルギーデバイス材料の設計指針の提示を目指す。2022年度は、トンネル型リン酸塩の骨格を構成する元素と結晶構造の熱的安定性との相関を、高温X線回折測定により系統的に調査した。その結果、トンネル型構造の熱安定性を大きく決定する300度付近の相転移の有無は、骨格を構成するカチオンの平均イオン半径に依存することを確認した。プロトン導電率の向上のために、骨格カチオンの一部を欠損させ、その電荷補償としてプロトンを導入した試料は、600度付近において、トンネル型構造の部分的な分解が観測された。この挙動は、3段階目の結晶水の脱離反応とともに進行した。トンネル型構造においてカチオン欠損を含む部位の安定性の確保に、結晶水が関与する可能性が新たに提示された。開発した新規物質について、プロトン量、温度、含水量、測定雰囲気の酸素分圧に対する電気化学特性の変化を調査した。開発したリン酸塩の導電率は、プロトン量、結晶水量に依存して向上した。結晶水の脱離が顕著となる温度域で導電率の低下が観測されるものの、最も高いプロトン導電率を示す試料では、200度付近で10-2 Scm-1に到達する高い値が得られた。開発した試料は、150度、相対湿度が一定（1%程度）の雰囲気下では、高プロトン導電率を保持した。また、酸素雰囲気や水素雰囲気において、電子伝導性は殆ど観測されなかった。これは、リン酸塩の絶縁性の高さに由来すると考えられる。本研究で得られた成果について、国内外の学会で発表した。

对于使用氢的下一代发电设备，在温度从室温到500度不等的温度下，具有质子固体电解质非常需要，它们具有热稳定性和高质子电导率。这项研究旨在阐明隧道型磷酸盐的晶体结构和电化学特性之间的相关性，隧道型磷酸盐是一种满足上述特性的新型物质，并列出了与“控制固体键（氢键）控制固体键（氢键）和创建功能相关的下一代能量设备材料的设计指南”。在2022年，通过高温X射线衍射测量值系统地研究了组成构成隧道型磷酸盐骨架的元素与晶体结构的热稳定性之间的相关性。结果，已经证实，在300度附近的相变的存在或不存在，这在很大程度上决定了隧道型结构的热稳定性，取决于构成骨架的阳离子的平均离子半径。在缺少一部分骨骼阳离子以提高质子电导率的样品中，并将质子作为电荷补偿引入，在600°左右观察到隧道型结构的部分分解。这种行为随着消除水晶水的第三阶段而进行。已经提出了结晶水在确保隧道型结构中含有阳离子缺陷的位点的稳定性中涉及的可能性。研究了在测得的大气中，发达新物质的电化学性质的变化。根据质子的量和结晶量，提高了发达磷酸盐的电导率。尽管在晶体水的解吸突出的温度范围内观察到电导率的降低，但对于质子电导率最高的样品，在200度左右获得的高值达到10-2 scm-1。发达的样品在恒定相对湿度为150度（约1％）的大气中保留了高质子电导率。此外，在氧气或氢气中几乎没有观察到电子电导率。这被认为是由于磷酸盐的高绝缘特性所致。从这项研究中获得的结果在日本和国外的学术会议上提出。

项目成果

Relationship between the crystal structure and constituent elements of mixed cation phosphates

混合阳离子磷酸盐晶体结构与组成元素的关系

• 发表时间: 2022
• 作者: Yasuaki Matuda;Rihito Nakamura;Souichiro Kondo;Tomoya Yoshimura;Naoya Ueta;Jun Nakajima;Daisuke Mori;Shinya Higshimoto
• 通讯作者: Shinya Higshimoto

Synthesis, structure and proton conductivity of Mixed cation phosphate with the three-dimensional open framework

三维开放骨架混合阳离子磷酸盐的合成、结构及质子电导率

• 发表时间: 2021
• 作者: Yasuaki Matsuda;Naoya Ueda;Daisuke Mori;Shinya Higashimoto
• 通讯作者: Shinya Higashimoto

トンネル型リン酸塩の合成と中低温での高プロトン導電特性

隧道型磷酸盐的合成及其中低温高质子传导性能

• 发表时间: 2021
• 作者: 中島 潤;上田 直哉;東本 慎也;松田 泰明;森大輔
• 通讯作者: 森大輔

Synthesis and Proton Conductivity of the Mixed Cation Phosphate, KCo_1−<i>x</i>H_2<i>x</i>(PO₃)₃ • <i>y</i>H₂O with a with a One-dimensional Tunnel Structure

混合阳离子磷酸盐 KCo_1−<i>x</i>H_2<i>x</i>(PO₃)₃  ​​• <i>y</i>H₂O 具有一维隧道结构

• DOI: 10.2497/jjspm.69.99
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy
• 作者: Jun Nakajima;Naoya Ueda;Sou Taminato;Daisuke Mori;Nobuyuki Imanishi;Shinya Ueda;Yasuaki Matsuda
• 通讯作者: Yasuaki Matsuda

トンネル型構造をもつプロトン導電性リン酸塩の合成、熱安定性と電気化学特性

隧道结构质子传导磷酸盐的合成、热稳定性及电化学性能

• 发表时间: 2023
• 作者: 松田 泰明 ;中島 潤 ;上田 直哉 ;東本 慎也 ;森 大輔
• 通讯作者: 森 大輔