アルミナ超膜をプロトン導電性固体電解質とした水素センシングデバイス

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本研究は耐酸化保護性のある金属酸化膜、特に安定相であるαアルミナ膜をプロトン導電性固体電解質としたナノスケールの薄膜型水素センシングデバイスの開発を試みる研究である。最終年度にあたる本年度は、Alを含み酸化被膜としてαアルミナを生成する合金を選定し、生成したアルミナ膜の起電力特性および膜の性状との関係について検討を行い、水素センサーとしての可能性の検討を主として行った。合金としてβNiAlおよびPdAlを選定し1150℃程度の高温空気中で生成させたαアルミナ膜に対し、500-600℃における水素濃淡電池の起電力を測定したところ水素ポテンシャルに対する起電力応答は確認されたが、その依存性は理論起電力の5〜6分の1程度と非常に小さいものであり、また雰囲気操作の履歴による起電力値への影響が大きかった。実験終了後、膜の観察を行ったところ準安定アルミナと思われる組織の生成が観察された。また膜の亀裂や合金からの剥離も観察された。これらのことが原因で、安定した起電力が得られなかったと考えられた。高温で生成した安定相のαアルミナ膜は比較的低温での利用であればαアルミナ中のアルミニウムイオンの拡散は非常に小さいのでαアルミナ膜は安定して存在すると期待したが、プロトンとの両極性拡散によってアルミニウムイオンの拡散が加速され、準安定アルミナが生成したものと考えられた。一方、モデル実験として、保護管形状の多結晶αアルミナの内部に溶融アルミニウムを入れ、アルミナ管に生じる起電力を測定したところ理論起電力と同程度の水素ポテンシャル依存性が観察された。従って、原理的には金属表面に生成したαアルミナを固体電解質とした水素センサーは実現可能出有ることがわかった。しかしながら、金属表面に生成した酸化膜を利用する場合には、アルミニウムイオンの拡散を著しく制限する工夫が必用なことも明らかになった。