中性子散乱を用いたプロトン導電性酸化物BaCe_<1-x>Y_xO_<3-δ>の導電機構の解明

利用中子散射阐明质子导电氧化物BaCe_<1-x>Y_xO_<3-δ>的传导机制

• 批准号: 14750559
• 负责人: 竹内 謙
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Tokyo University of Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14750559/
• 关键词: プロトン導電性酸化物; 導電機構; BaCe_<1-x>Y_xO_<3-δ>; 中性子回折; 準弾性中性子散乱; Pair Distribution Function; 準弾性子中性子散乱

本年度は、昨年度に引き続き、研究代表者が米国アルゴンヌ国立研究所(ANL)に赴き、BaCe_<1-x>Y_xO_<3-δ>の中性子回折、準弾性中性子散乱、非弾性中性子散乱の各測定を行い、昨年度の測定の不足した部分を補うと共に、各種中性子散乱測定結果について詳細な解析を行った。まず、ANLの中性子回折装置を用い、温度および雰囲気を変えBaCe_<0.8>Y_<0.2>O_<3-δ>の回折測定を行った。湿潤O_2雰囲気下で温度を200℃から800℃まで変化させて回折測定して得られた結果と、乾燥O_2雰囲気下で温度を同様に変化させて得られた結果のリートベルト解析結果から、500℃付近では水分子の存在により格子が押し広げられているということが分かった。一方、この500℃での水素導電率が高いことから、この温度では、水分子が格子内に入り、そこから離れた水素が拡散し、水素導電性を示すことが分かった。そこで、ANLの準弾性中性子散乱装置(QENS)を用い、温度および雰囲気を変えBaCe_<0.8>Y_<0.2>O_<3-δ>の準弾性散乱測定を行った。この結果から、湿潤空気の雰囲気下での550℃付近での水素の拡散係数は、1.5×10^<-5>cm^2/sであることが分かった。この値は、導電率から予想される拡散係数よりも小さい。今回のQENSの測定のように、単に雰囲気を変化させるだけでは、大きな水素拡散係数が得られないと考えられる。より実際的な測定を行うためには、固体電解質燃料電池内にBaCe_<0.8>Y_<0.2>O_<3-δ>電解質を組み込んだ状態で、準弾性散乱測定を行い、水素の拡散挙動を観察することが必要であることが分かった。さらに、イットリウム(Y)含有率により水素導電性が変化することから、Yが水素導電性に大きく寄与していると考えられる。そこで、Yがセリウム(Ce)と置換するsiteを明らかにするために、Yの換わりに、magnetic scatterを起こすホミウム(Ho)をドープしたBaCe_<1-x>Ho_xO_<3-δ>を作成し、中性子回折より磁気構造に起因する回折ピークを観察することを試みた。しかし、磁気構造を示す明確なピークが見られず、HoやYは、特定のsiteでCeから置換するわけではなく、ランダムに置換している可能性が強く示唆された。また、BaCe_<0.8>Y_<0.2>O_<3-δ>では、500℃付近で、水から離れた水素が拡散することが分かったが、その拡散経路を知ることを目的に、酸素オクタヒドラの歪みを明らかにするため、現在PDF解析を試みている。

This year, the National Research Institute (ANL) of the United States has conducted research on the analysis of neutral particle dispersion, BaCe<1-x>_xO_&lt;3-δ&gt; neutral particle dispersion, quasi-neutral particle dispersion, and non-neutral particle dispersion. The results of various neutral particle dispersion measurements have been analyzed in detail. In addition, the temperature and temperature of the ANL's neutral reflection device can be changed to BaCe_<0.8>Y_<0.2>O_&lt;3-δ&gt;. The temperature of wet O_2 gas changed from 200℃ to 800℃, and the temperature of dry O_2 gas changed from 200 ℃ to 800 ℃, and the temperature of wet O_2 gas changed from 200 ℃ to 800 ℃. The conductivity of water at 500℃ is high, the temperature is high, the water molecules enter the lattice, the water molecules disperse, and the conductivity of water is high. QENS is used to measure the quasi-thermal dispersion of BaCe_<0.8>Y_<0.2>O_&lt;3-δ&gt;. As a result, the dispersion coefficient of water near 550℃ in humid air is 1.5×10^<-5>cm^2/s. For example, the coefficient of diffusion is smaller than the coefficient of conductivity. This time, the QENS was determined by changing the dispersion coefficient of water elements. The measurement of BaCe_<0.8>Y_<0.2>O_&lt;3-δ&gt; electrolyte composition in solid electrolyte fuel cells, the measurement of quasi-dispersion and the observation of water dispersion are necessary. The content of Y in water element conductivity varies greatly. Therefore, when the Y is replaced by Ce, the magnetic scatter is formed on the surface of Ho, and BaCe_<1-x>Ho_xO_&lt;3-δ&gt; is formed, so that the bending caused by the neutral bending and magnetic structure can be observed. The magnetic structure shows that the possibility of substitution is very strong. BaCe_<0.8>Y_<0.2>O_&lt;3-δ&gt;&lt;3-δ &lt;3&gt;&lt;3-δ&gt;&lt;3-δ &lt;3&gt;&lt;3-δ &lt;3