遷移金属酸化物結晶の電子・欠陥構造に基づくエネルギー変換デバイスの材料設計

基于过渡金属氧化物晶体电子/缺陷结构的能量转换器件材料设计

• 批准号: 08J03646
• 负责人: 折笠 有基
• 金额: $ 0.77万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2008
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2008 至 2009
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08J03646/
• 关键词: 固体酸化物形燃料電池; 電極反応; 酸素ポテンシャル; X線吸収分光法; 酸素不定比性; 電子構造; 局所構造; 混合導電体; SOFC; その場測定

固体酸化物形燃料電池(SOFC)の正極材料として(La,Sr)(Co,Fe)O3系材料(LSCF)や(La,Sr)MnO3(LSM)が広く用いられている。同材料の電極反応については種々の実験手法により評価がなされているが,実際のデバイス作動条件下における化学状態を直接観測した例はほとんどない。我々はこれまでに,高温で雰囲気・印加電圧を制御しながらX線吸収分光測定を行うことができる高温電気化学in situ XAFS測定装置を作製し,その測定および解析方法の確立に成功している。本研究ではこれを適応しLSCFおよびLSM緻密薄膜をモデル電極とし、XAFS測定を用いた電子構造解析からデバイス作動条件下の酸素ポテンシャル分布の評価を行い,同材料における電極反応機構の解明を目指した。開回路状態では電極内部には酸素ポテンシャル勾配は生じないため、空気/電極/電解質の酸素ポテンシャルは酸素分圧p(O2)gasに依存する。電極に過電圧がかかっているときは、電極内に酸素ポテンシャル勾配が発生する。この酸素ポテンシャル勾配は反応の律速過程に応じて空気/電極または電極/電解質界面および電極内部で変化すると考えられる。電極内部における化学ポテンシャル勾配はXANES吸収端位置のシフト量に対応している。シフト量と酸素分圧、電極過電圧の関係を求めた結果LSCFにおいて開回路状態で酸素分圧を変化させたときの吸収端位置のシフト量と、その変化に対応する過電圧を印加させたときの吸収端シフトは良い一致を示した。これは電極過電圧による酸素ポテンシャル変化が空気/電極の界面で急激に生じていることを示している。一方、LSMにおいては吸収端シフト量に差がみられ、ポテンシャル勾配が電極内部にあることが示された。本結果より、LSCFでは電極表面反応、LSMでは酸化物イオン拡散が律速過程であることを直接的に示した。

The electrode material of solid acid fuel cell (SOFC) is (La,Sr)(Co,Fe)O3-based material (LSCF) and (La,Sr) MnO3 (LSM). The electrode reaction of the same material can be directly measured under the actual operating conditions. In this paper, we successfully established the method of XAFS determination of high temperature electrochemistry in situ by means of X-ray absorption spectrometry. In this study, we evaluated the electron structure analysis of LSCF and LSM dense thin films and the electron structure distribution under different operating conditions, and pointed out the solution of electrode reaction mechanism for the same materials. The open circuit state depends on the acid component pressure p(O2)gas inside the electrode. Electrode overvoltage occurs when the electrode is in contact with the acid. The reaction of the acid and the electrolyte to the reaction of the air/electrode interface and the reaction of the electrode interior The chemical composition of the electrode interior corresponds to the amount of XANES at the absorption end. The relationship between the acid component voltage and the electrode overvoltage is determined. The results show that the acid component voltage of the LSCF is in the open circuit state, and the overvoltage of the absorption terminal is determined. The electrode overvoltage is caused by a change in the air/electrode interface. On the one hand, there is a huge difference in the amount of oxygen absorbed by the LSM, and there is a slight difference in the amount of oxygen absorbed by the LSM. The results show that LSCF has a direct effect on the electrode surface and LSM has a direct effect on the acidification process.

项目成果

X-Ray Absorption Spectroscopic Studies on Electronic Structure in La_<0.6>Sr_<0.4>Co_<0.8>Fe_<0.2>O_<3-d> Perovskite-Type Oxides

La_<0.6>Sr_<0.4>Co_<0.8>Fe_<0.2>O_<3-d>钙钛矿型氧化物电子结构的X射线吸收光谱研究

• 发表时间: 2008
• 期刊: ECS Transactions 13
• 作者: 斉広瑩;工藤保誠;小川郁;高田隆;など;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子;Ayako SASAKI;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子・竹田晋也・スパクンソンマイ;Sasaki Ayako;Y. Orikasa
• 通讯作者: Y. Orikasa

Studies on Defect Structures of(La, Sr)_2NiO_4 by Using X-ray Absomtion Spectroscopy

X射线吸收光谱研究(La,Sr)_2NiO_4缺陷结构

• 发表时间: 2008
• 期刊: ECS Transactions 13
• 作者: 斉広瑩;工藤保誠;小川郁;高田隆;など;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子;Ayako SASAKI;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子・竹田晋也・スパクンソンマイ;Sasaki Ayako;Y. Orikasa;T. Ina
• 通讯作者: T. Ina

その場電気化学XASを用いたLSCF/YDCモデル電極における電極反応律速過程の解明

使用原位电化学 XAS 阐明 LSCF/YDC 模型电极中电极反应的限速过程

• 发表时间: 2009
• 作者: 斉広瑩;工藤保誠;小川郁;高田隆;など;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子;Ayako SASAKI;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子・竹田晋也・スパクンソンマイ;Sasaki Ayako;Y. Orikasa;T. Ina;K. Amezawa;折笠有基;伊奈稔哲
• 通讯作者: 伊奈稔哲

In situ Electrochemical XAFS Studies on Cathode Reaction of LSCF/YDC Hetero-interface

LSCF/YDC异质界面阴极反应的原位电化学XAFS研究

• 发表时间: 2008
• 作者: 斉広瑩;工藤保誠;小川郁;高田隆;など;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子;Ayako SASAKI;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子・竹田晋也・スパクンソンマイ;Sasaki Ayako;Y. Orikasa;T. Ina;K. Amezawa;折笠有基;伊奈稔哲;折笠有基;Yuki Orikasa;Yuki Orikasa
• 通讯作者: Yuki Orikasa

その場X線吸収分光法によるSOFCモデル電極LSCF/YDCにおける反応機構の解明

使用原位 X 射线吸收光谱阐明 SOFC 模型电极 LSCF/YDC 中的反应机理

• 发表时间: 2008
• 作者: 斉広瑩;工藤保誠;小川郁;高田隆;など;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子;Ayako SASAKI;佐々木綾子;佐々木綾子;佐々木綾子・竹田晋也・スパクンソンマイ;Sasaki Ayako;Y. Orikasa;T. Ina;K. Amezawa;折笠有基;伊奈稔哲;折笠有基
• 通讯作者: 折笠有基