本質的な酸素欠損層を持つ新型イオン伝導体の探索と構造物性

酸化物イオン伝導体やプロトン伝導体は燃料電池等に応用可能なセラミック材料である。燃料電池の電解質として実用化するには高いイオン伝導度を示す材料の発見が重要であるが、高いイオン伝導度を示す要因を考察することでより高いイオン伝導度を示す材料の探索の指針にもつながる。そのため、結晶構造を明らかにし、酸化物イオンやプロトンの移動のメカニズムを考察することもまた重要である。本研究では本質的な酸素欠損層を持つ六方ペロブスカイト関連酸化物であるBa7Nb4MoO20系材料に注目して研究を行った。Ba7Nb4MoO20のNbの一部をMoやWで元素置換した組成は高い酸化物イオン伝導度を示すだけではなく、高温でも高い安定性を示し酸化物イオン伝導が支配的であるため、実用化も期待される。これまで、高温で測定した中性子回折データの解析で得られた平均構造によってBa7Nb4MoO20系材料では準格子間機構で酸化物イオンが伝導すると考えられてきた。しかし、Ba7Nb4MoO20系材料の局所的，動的構造との関係は分かっていなかった。そこで、第一原理分子動力学法によって時間経過とともに酸化物イオンがどのように動いていくのかを調べ、移動するメカニズムを考察した。また、Ba7Nb4MoO20系材料は高い酸化物イオン伝導度に加えて高いプロトン伝導度も示す。酸化物イオンの移動のメカニズムと同様に第一原理分子動力学法によってプロトンの移動のメカニズムを考察した。さらに、プロトンの位置を決定するために，重水D2O気流中で熱処理することにより、水和したBa7Nb4MoO20系材料を作製し、低温における中性子回折データを用いて結晶構造解析を行った。

酸化物イオン伝導体やプロトン伝導体は燃料電池等に応用可能なセラミック材料である。燃料電池の電解質として実用化するには高いイオン伝導度を示す材料の発見が重要であるが、高いイオン伝導度を示す要因を考察することでより高いイオン伝導度を示す材料の探索の指針にもつながる。そのため、結晶構造を明らかにし、酸化物イオンやプロトンの移動のメカニズムを考察することもまた重要である。本研究では本質的な酸素欠損層を持つ六方ペロブスカイト関連酸化物であるBa7Nb4MoO20系材料に注目して研究を行った。Ba7Nb4MoO20のNbの一部をMoやWで元素置換した組成は高い酸化物イオン伝導度を示すだけではなく、高温でも高い安定性を示し酸化物イオン伝導が支配的であるため、実用化も期待される。これまで、高温で測定した中性子回折データの解析で得られた平均構造によってBa7Nb4MoO20系材料では準格子間機構で酸化物イオンが伝導すると考えられてきた。しかし、Ba7Nb4MoO20系材料の局所的，動的構造との関係は分かっていなかった。そこで、第一原理分子動力学法によって時間経過とともに酸化物イオンがどのように動いていくのかを調べ、移動するメカニズムを考察した。また、Ba7Nb4MoO20系材料は高い酸化物イオン伝導度に加えて高いプロトン伝導度も示す。酸化物イオンの移動のメカニズムと同様に第一原理分子動力学法によってプロトンの移動のメカニズムを考察した。さらに、プロトンの位置を決定するために，重水D2O気流中で熱処理することにより、水和したBa7Nb4MoO20系材料を作製し、低温における中性子回折データを用いて結晶構造解析を行った。