マイクロ燃料電池用高性能ナノヘテロ構造を有するセリア系固体電解質の合成とそのナノ構造解析

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昨年度検討したSm_xCe_<1-x>O_<2-x/2>、Gd_xCe_<1-x>O_<2-x/2>につづき、本最終年度は、Ho_xCe_<1-x>O_<2-x/2>及びTb_xCe_<1-x>O_<2-x/2>(x=0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)の10種類の易焼結性ナノ粉末の合成とその焼結体作成及び焼結体物性評価を行った。各組成において炭酸塩共沈法により、平均粒径30-40nm程度の球状粒子の作製を行い、1400℃の常圧焼結により、高密度焼結体(相対密度95%以上)を作成した。直流により測定した導電率の組成依存性と、TEMによるナノ構造観察結果を比較したところ、Ho_xCe_<1-x>O_<2-x/2>は、x=0.05-0.1では、数nm程度のマイクロドメインが観察され、x≧0.15の領域では、界面に明確な不整合界面を有する数nm-10nm程度の析出物が観察された。Tb_xCe_<1-x>O_<2-x/2>においてもその傾向は現れ、x≦0.20では、数nm程度のマイクロドメインが、x≧0.25の領域では、不整合界面を有する数nm-10nm程度の析出物が観察された。いずれの場合も、不整合界面をもつ析出物を含む場合は、導電率は低く、かつその温度依存性も極端に小さくなり電子伝導性が現れやすくなる傾向を示した。本研究では、M_xCe_<1-x>O_<2-x/2>(M : Sm, Gd, Ho, Tb :0.05≦x≦0.25)中の導電率に与えるナノ構造の特徴を、高分解能TENを用いて系統的に検討した。その結果、M=SmまたはGdの場合は、整合界面を持つマイクロドメインの数と大きさが導電率に影響を与え、M=HoまたはTbの場合は、不整合界面を持つ析出物の発生により、導電率の大きな低下と電子伝導性が顕著になる傾向が現れた。以上の結果から、ナノ構造の特徴を精査しながら、セリア系固体電解質の性能を設計することが、極めて重要であることが分かった。