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酸化物材料の欠陥の定量的理解による材料開発指針への展開

通过定量了解氧化物材料的缺陷制定材料开发指南

基本信息

批准号：
11J10050
负责人：
及川格
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2013
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J10050/
关键词：
ペロブスカイト型酸化物プロトン伝導体核磁気共鳴分光法局所構造解析第一原理計算プロトントラッピング酸素空孔希土類元素ペロブスカイト酸化物核磁気共鳴局所構造ペロブスカイト固体NMR 局所環境酸化物 Sc-45 プロトン

项目摘要

平成25年度の研究の目的は、核磁気共鳴(nuclear magnetic resonance ; NMR)分光と第一原理計算を用いた局所構造解析によりBaZrO_3系プロトン伝導体の局所構造の定量的理解と粒界伝導度の向上によりプロトン伝導性を向上させることであった。本研究を遂行する過程で、NMR分光によりプロトンの長距離伝導を阻害しているプロトントラッピングを抑制できる知見が得られたため、申請書で計画していた粒界伝導度の向上でなくプロトントラッピングに着目して伝導度向上を目指す研究を行った。その結果、希土類置換BaZrO3プロトン伝導体の長距離伝導の律速過程となっている置換元素によるプロトンのトラッピングについて、拘束を受けていないプロトンの存在をNMRと熱重量分析により示した。それに加えてプロトン伝導性酸化物のキャリア濃度とキャリア形成に関わる欠陥構造、局所構造に着目して研究を行い、NMR分光法を用いたSc置換BaZrO_3プロトン伝導体の解析より局所構造がキャリア濃度に及ぼす影響について示した。さらにNMRと第一原理計算を組み合わせた手法が核位置での電場勾配を指標とすることで酸化物中の格子欠陥などの局所的な構造の理解に役立つことを示した。本研究の意義は置換元素周囲のプロトン量と酸素空孔量を定量的に明らかにすることにより、局所構造の観点からプロトン伝導性を理解する点にある。過去の研究では、電気伝導度測定や熱重量分析により巨視的な視点からプロトン伝導体の理解はかなり進んでいるが、伝導度に直接影響する置換元素周囲の構造といった微視的な観点からの理解はあまり進んでいなかった。本研究では、電気伝導度測定やX線回折では得ることが難しい置換元素周囲の欠陥の情報を局所構造に敏感なNMRと第一原理計算を用いて解析することにより、プロトン濃度と伝導度の向上に資する材料開発指針を得ることができた。

The purpose of this research in 2015 is to analyze the structure of local pores using nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and first-principles calculations, to quantitatively understand the structure of local pores of BaZrO_3-based proton conductors, and to improve the grain boundary conductivity and proton conductivity. This study was carried out in the process of NMR spectroscopy, and the study was carried out in the application plan. The results show that the long-distance conduction of rare-earth substituted BaZrO3 is a rapid process, and the existence of substituted elements is shown by NMR thermogravimetric analysis. In this paper, we study the influence of structure and structure on the concentration and formation of BaZrO_3-based conductive acid compounds by NMR spectroscopy. The first principles of NMR calculation are combined to show the electric field matching index of nuclear position and the structure understanding of lattice structure in acid compound. The significance of this study is to understand the quantitative relationship between the amount of substitutional elements and the amount of acid voids, and to understand the conductivity of the structure of the site. Previous studies on electrical conductivity measurement, thermogravimetric analysis, macroscopical observation, understanding of conductors, and direct influence of conductivity on the structure of displacement element cycles, Weishi app, and microscopical observation. In this study, the conductivity measurement and X-ray reflection were used to obtain the information of the displacement element cycle. The first principle calculation of NMR was used to obtain the material development index.