高プロトン伝導性ガラス膜の合成

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室温で高い電気伝導度を有し、化学安定性に優れた高プロトン伝導性ガラス膜の開発するために、伝導度とガラス内のプロトンの結合状態との関連性を調べ、また、高プロトン伝導性ガラスを得るために、より多くの水素結合性プロトンを含有したガラスの組成および作製条件についての検討を行った。ガラスは、大面積化や薄膜化などの点で、焼結体に比べて利点があり、水素ガスセンサーや水素燃料電池などの固体電解質としての応用が期待できる。無アルカリで分子状の水を含まないリン酸塩ガラスの伝導度(σ_<417>)は、プロトン濃度([H^+](mol/l))に対して実験式:σ_<417>=A_0[H^+]^2で表され、A_0はOH結合エネルギー(v_<OH>)とlogA_0=-0.00970v_<OH>+17.1で表されることが分かった。このことから、高プロトン伝導性ガラスは、“低いv_<OH>"、“高い[H^+]"で実現できると予測できた。多くの分子状の水を含むガラスをゾル・ゲル法によって作製した。プロパノールに溶解したP_2O_5にZr(OC_3H_7)_4を反応させ、加水分解した後、60〜120℃で数週間乾燥させて1〜2mm厚のゲル膜を得た。DTA-TG測定から、ゲルには分子状の水(200℃付近までに離脱する水)が多く含まれているのがわかった。50%の相対湿度中で測定した伝導度は高く、60〜70℃で乾燥して作ったゲルの、室温での伝導度は10^<-2>S/cmのオーダーであった。また、その活性化エネルギーは0.15〜0.18eVであった。このような値は、これまで最高の高プロトン伝導性を示すとされている他の結晶での値と同等か、それより高い可能性があり、伝導性の高い“Superprotonic conductor"とも呼ぶべき非晶体が合成できることがわかってきた。今後、化学安定性や大面積化などを含め、実用性のあるガラス膜の作製の検討を行っていく。