オキソ酸塩系新規中高温型プロトン伝導体の創製

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中高温型プロトン伝導体は、将来の水素エネルギーサイクルの基盤を担う燃料電池や電気化学水素ポンプ、水素センサーなど電気化学水素デバイスの電解質材料としての応用が期待されている材料である。しかしながら既存の酸化物系材料は、CO_2ガスに対する化学的安定性や電子との混合伝導性といった問題点を有しており、これらを解決する新規材料の開発が望まれている。本研究では、高温型プロトン伝導体の新規な材料系として、リン酸塩、ホウ酸塩を始めとするオキソ酸塩系材料を研究対象とした高性能材料の探索を行った。特に本年度は、二年目まで開発を行った希土類オキソ酸塩を母体とするプロトン伝導体における電気伝導特性についてさらに理解を深めることを目的とした。研究代表者等によって開発されたSr添加LaPO_4をモデル材料に、異なる粒子サイズを有する緻密多結晶体試料を作製し、その交流インピーダンス応答を調べることにより、結晶粒内と粒界における電気伝導特性について検討した。その結果、Sr添加LaPO_4における電気伝導では、500℃以上では粒内伝導が、500℃以下では粒界伝導が支配的となることを明らかにした。また、導電率の同位体効果の評価から、Sr添加LaPO_4における電気伝導は、粒内、粒界のいずれにおいても、プロトン伝導が支配的であることが分かった。また、材料の化学的安定性に優れた希土類オルトホウ酸塩LnBO_3におけるプロトン伝導に及ぼす添加イオン種、量の最適化を行った。その結果、添加イオン種としてSrが、添加量としては2-3%程度が適当であることを明らかにした。