【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　准教授　南部雄亮
研究室ウェブサイト

〇金属材料研究所　助教　池田陽一
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 世界最高のプロトン伝導度を示す新物質を創製?発見。
• 結晶構造解析と理論計算から、化学置換なしで高いプロトン伝導度を示す要因を解明。
• 低コストで製造できる高性能燃料電池の開発につながると期待。

【概要】

東京工業大学 理学院 化学系の八島正知教授、森川里穂大学院生（研究当時）、村上泰斗特任助教（研究当時）、藤井孝太郎助教は、中低温域で世界最高のプロトン（H⁺、水素イオン）伝導度（用語1）を示す新物質Ba₂LuAlO₅（用語2）を創製?発見した。さらに東北大学 金属材料研究所の南部雄亮准教授、池田陽一助教と共同での中性子回折（用語3）データを用いた結晶構造解析と、豪州原子力科学技術機構（ANSTO）のアブディーフ?マキシム博士（研究当時は東京工業大学客員研究員兼務）と共同での第一原理分子動力学シミュレーション（用語4）により、プロトン伝導機構を明らかにした。

現在実用化されている固体酸化物形燃料電池（SOFC）は動作温度が高いため、低コスト化と用途拡大のために、中低温域（300～600℃）で高いプロトン伝導度を示す材料が求められている。従来の候補材料であるペロブスカイト型プロトン伝導体（用語5）では、高い伝導度を実現するために化学置換（用語6）が必要である。一方、六方ペロブスカイト関連酸化物（用語7）は近年、化学置換なしで比較的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、プロトン伝導度が十分高くはなかった。

今回、酸素空孔（用語8）を大量に含む新しい材料の探索により、新物質Ba₂LuAlO₅を創製?発見した。このBa₂LuAlO₅が六方ペロブスカイト関連酸化物であることが、結晶構造解析によって確認された。化学置換していないBa₂LuAlO₅のプロトン伝導度を測定したところ、既知のセラミック材料よりも高かった。さらに第一原理分子動力学シミュレーションの結果から、化学置換しなくても、酸素空孔が大量に存在するBaO層で水和が起こるためプロトン濃度が高いこと、LuO₆八面体層の間に存在する最密充填BaO₃層においてプロトンが高速移動することが、高いプロトン伝導度の原因であることが分かった。

本研究成果は2023年6月6日（英国時間）にネイチャー?ポートフォリオの学術誌「Communications Materials」に掲載されました。

【用語解説】

（1）プロトン（H⁺、水素イオン）伝導度：プロトンが伝導することによる電気伝導度。

（2）Ba₂LuAlO₅：バリウム、ルテチウム、アルミニウムおよび酸素から構成される酸化物。六方ペロブスカイト関連酸化物と呼ばれる物質群の1つである。この物質群はプロトン伝導体あるいは酸化物イオン伝導体として注目されており、六方ペロブスカイト関連酸化物のイオン伝導は新しい研究分野である。今回合成したBa₂LuAlO₅が水和すると、化学組成はBa₂LuAlO₅·x H₂O = Ba₂LuAlO_5-x(OH)_2x (0<x≦0.5)であり、OHの形で水が取り込まれる。

（3）中性子回折：中性子による回折。重元素と、酸素などの軽元素の両方を含む物質では、軽元素の中性子散乱コントラストがＸ線散乱コントラストと比べて相対的に高いことが多い。そのため、X線回折ではなく中性子回折データを用いた構造解析によって、軽元素の原子の原子座標、占有率と原子変位パラメータを正確に決めることができる。

（4）第一原理分子動力学シミュレーション：実験データなど経験パラメータを用いずに、計算対象となる原子の種類と数と初期配置を用いて、量子力学に基づいて電子状態を計算することにより、原子間に働く力を見積もり、物質における原子の運動や物質の性質を調べるシミュレーション。

（5）プロトン伝導体：外部電場を印加したときにプロトンが伝導する物質。プロトン伝導体には、純プロトン伝導体やプロトン-電子混合伝導体などがある。

（6）化学置換：化合物の原子の一部を別の元素の原子で置換すること。

（7）六方ペロブスカイト関連酸化物：鉱物ペロブスカイトCaTiO₃と同じ、あるいは類似した結晶構造を持ち、一般式ABX₃で表される化合物をABX₃ペロブスカイト型化合物と総称する（AはBa²⁺やLa³⁺などの比較的大きな陽イオン、Bは遷移金属イオンなどの比較的小さな陽イオン、Xは陰イオンを示す）。ABX₃ペロブスカイト型化合物は立方最密充填したAX₃層とBイオンから構成されるが、六方ペロブスカイト型化合物は六方最密充填したAX₃層とBイオンからなる。六方ペロブスカイト関連化合物は、六方最密充填したAX₃層および立方最密充填したAX₃層がさまざまな比で積層した構造を持つ。六方ペロブスカイト関連化合物のうち、陰イオンとして酸化物イオンだけを含むものを六方ペロブスカイト関連酸化物という。

（8）酸素空孔：結晶中の酸素が存在しうる席（サイト）で原子が欠けている所を酸素空孔と呼ぶ。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学金属材料研究所　
准教授　南部 雄亮（なんぶ ゆうすけ）
TEL：022-215-2327
E-mail：nambu*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学金属材料研究所　
情報企画室広報班
TEL：022-215-2144
E-mail：press.imr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）