Exploration of New-Type Proton Conductors via Intrinsic Oxygen Vacancy Layers

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本課題は従来の高イオン伝導体の材料設計法である「アクセプタドーピングによる伝導度向上」とは全く異なる新しい手法「本質的な酸素空孔を利用することによる、新型高イオン伝導体の探索」を提案して実証すること、イオン伝導の構造的要因を明らかにすることを目的としている。2022年度は，新型プロトン伝導体を発見し，高いプロトン伝導度のメカニズムを解明した。プロトン伝導体は，プロトン（H+）が伝導する物質であり，水素ポンプやプロトンセラミック燃料電池など幅広い応用のある，クリーンエネルギー材料として期待されている．しかし，これまで中低温域で高いプロトン伝導度を示し，安定・安価な材料の報告は少なかった．従来の候補材料であるAMX3ペロブスカイト型プロトン伝導体では，高い伝導度を実現するためにアクセプタドーピングが必要であり，安定かつ高純度な試料の合成が困難なこともあった．一方，六方ペロブスカイト関連酸化物は，アクセプタドーピングを行うことなく高いプロトン伝導度を示す新材料として注目されているが，その伝導メカニズムは知られていなかった．本課題では六方ペロブスカイト関連酸化物β-Ba2ScAlO5が新型のプロトン伝導体であることを発見した．さらに，第一原理分子動力学シミュレーションを行い，この新材料のプロトン伝導メカニズムを解明した．六方ペロブスカイト関連酸化物であるβ-Ba2ScAlO5とα-Ba2Sc0.83Al1.17O5，ならびに六方ペロブスカイト関連酸化物と類似の結晶構造を持つBaAl2O4のプロトン伝導性を調べた．これらはいずれも本質的な酸素欠損層を結晶構造中に含む． また，不規則構造を持つ六方ペロブスカイト酸化物における隠れた規則性を見出した．