NEXT MOBILITY

MENU

2020年6月10日【テクノロジー】

東工大、最高水準の伝導度を示す新型プロトン伝導体を発見

坂上 賢治

  • このエントリーをはてなブックマークに追加

 

化学置換不要で高伝導度を示す新型プロトン伝導体は燃料電池やセンサー等の発展に貢献

 東京工業大学 理学院 化学系の村上泰斗特任助教と八島正知教授らの研究グループは6月10日、中低温域で世界最高水準のプロトン(H+、水素イオン)伝導度を示す新材料Ba5Er2Al2ZrO13(バリウム、エルビウム、アルミニウム、ジルコ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のひとつ)を発見したと発表した。

 

さらに同研究グループは豪州原子力科学技術機構(ANSTO)のヘスター・ジェームス博士と共同で、中性子回折測定(中性子回折を利用して物質の結晶構造を調べる手法)と、結晶構造解析を行い、同新材料が示す高いプロトン伝導度(外部電場を印加したときプロトンが伝導する物質)の発現機構を明らかにした。

 

 

 今回発見した新型プロトン伝導体(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)は、化学置換(化合物中の原子の一部を別の元素の原子で置換すること)無しで高いプロトン伝導度を示すことから従来の問題点とは無縁であり、新型プロトン伝導体およびその設計法として幅広い分野での応用が期待される。

 

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・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。従来の候補材料では、高い伝導度を実現するために化学置換が必要であり、安定性や高純度試料の合成に難があった。なお本研究成果は、2020年5月15日にアメリカ化学会誌「Journal of the American Chemical Society」電子版に掲載された。

 

 

中性子回折実験と結晶構造解析により、高いプロトン伝導度の起源を解明

 

 ちなみにこのプロトン伝導体は水素ポンプや水素センサー、燃料電池など幅広い応用例のあるクリーンエネルギー材料として期待されている。特にプロトン伝導体を燃料電池の電解質材料として用いた場合、従来の酸化物イオン伝導体を用いた燃料電池と比べ、デバイスの低温作動化が期待される。

 

このため中低温域(300~600 ℃)で高いプロトン伝導度を示す材料が求められてきたが、既存の材料の結晶構造(結晶中の原子配列を結晶構造という)はフェルグソナイト型構造(鉱物フェルグソン石と同じ結晶構造)やABO3ペロブスカイト型構造などに限られていた。

 

また、これらの既存材料の母物質の伝導度は低いため、高い伝導度を実現するために化学置換やドーピングが必要であり、材料の安定性や均一性に問題があった。

 

一方、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ABO3で表される酸化物をABO3ペロブスカイト型酸化物)は、広義のペロブスカイトの一種であり、様々な結晶構造や物理的・化学的特性を示す物質が知られている。

 

これまでは中低温域で高いプロトン伝導度を示す材料が立方ペロブスカイト型酸化物で多く報告されている一方、六方ペロブスカイト関連酸化物はプロトン伝導体としてほとんど検討されてこなかった経緯がある。

 

固体酸化物形燃料電池の低コスト化・用途拡大など多様な分野に応用可能

 

 そうしたなか八島教授らの研究グループは、六方ペロブスカイト関連酸化物のひとつであるBa5Er2Al2ZrO13が中低温域で高いプロトン伝導度を示すことを発見した。既存のプロトン伝導体の多くは、格子中の陽イオンの一部を低価数の陽イオンで化学置換することで酸素空孔(結晶中の酸素が存在する席またサイト上で原子が欠けているところを酸素空孔と呼ぶ)を導入し、プロトン伝導体と水蒸気H2Oが反応して、酸素空孔にH2OのOが入ると共に、プロトンがプロトン伝導体に取り込まれることでプロトン伝導性が現れる。

 

しかし今回発見した新材料では、結晶中のh′層に元々酸素空孔が存在するため、化学置換無しで高いプロトン伝導度を示すことが明らかになった(図1)。さらに、結晶構造解析と熱重量測定[用語9]から、実際にプロトンがh′層に存在し、電気伝導を担っていることを示した。

 

図1. (a) 新型プロトン伝導体Ba5Er2Al2ZrO13の結晶構造。(©American Chemical Society, 八島正知、村上泰斗)

 

 以上を踏まえ本今回の同研究で見出したBa5Er2Al2ZrO13のプロトン伝導度は、中低温域において立方ペロブスカイト型酸化物以外の物質群で最も高い値であり、六方ペロブスカイト関連酸化物がプロトン伝導体の新構造ファミリーとして高いポテンシャルを持つことを示している。

 

六方ペロブスカイト関連酸化物には、Ba5Er2Al2ZrO13のように構造中にh′層を持つ物質が他にも多く知られており、それらの物質も高いプロトン伝導度を示す可能性がある。つまり同研究成果はプロトン伝導体の新たな設計指針を示すものであり、今後、新たなプロトン伝導体が数多く発見される可能性がある。加えてBa5Er2Al2ZrO13を燃料電池・センサーなどに応用した材料の開発にも期待が高まっている。

CLOSE

坂上 賢治

NEXT MOBILITY&MOTOR CARS編集長。日刊自動車新聞を振り出しに自動車産業全域の取材活動を経て同社出版局へ。コンシューマー向け媒体(発行45万部)を筆頭に環境&リサイクル紙、車両ケア&整備ビジネス専門誌等の創刊誌編集長を歴任。独立後は一般誌、Web媒体上でジャーナリスト活動を重ね30年半ば。2015年より自動車情報媒体のMOTOR CARS編集長、2017年より自動車ビジネス誌×WebメディアのNEXT MOBILITY 編集長。

松下次男

1975年日刊自動車新聞社入社。編集局記者として国会担当を皮切りに自動車販売・部品産業など幅広く取材。その後、長野支局長、編集局総合デスク、自動車ビジネス誌MOBI21編集長、出版局長を経て2010年論説委員。2011年から特別編集委員。自動車産業を取り巻く経済展望、環境政策、自動運転等の次世代自動車技術を取材。2016年独立し自動車産業政策を中心に取材・執筆活動中。

間宮 潔

1975年日刊自動車新聞社入社。部品産業をはじめ、自動車販売など幅広く取材。また自動車リサイクル法成立時の電炉業界から解体現場までをルポ。その後、同社の広告営業、新聞販売、印刷部門を担当、2006年に中部支社長、2009年執行役員編集局長に就き、2013年から特別編集委員として輸送分野を担当。2018年春から独立、NEXT MOBILITY誌の編集顧問。

片山 雅美

日刊自動車新聞社で取材活動のスタートを切る。同紙記者を皮切りに社長室支社統括部長を経て、全石連発行の機関紙ぜんせきの取材記者としても活躍。自動車流通から交通インフラ、エネルギー分野に至る幅広い領域で実績を残す。2017年以降は、佃モビリティ総研を拠点に蓄積した取材人脈を糧に執筆活動を展開中。

中島みなみ

(中島南事務所/東京都文京区)1963年・愛知県生まれ。新聞、週刊誌、総合月刊誌記者(月刊文藝春秋)を経て独立。規制改革や行政システムを視点とした社会問題を取材テーマとするジャーナリスト。

山田清志

経済誌「財界」で自動車、エネルギー、化学、紙パルプ産業の専任記者を皮切りに報道分野に進出。2000年からは産業界・官界・財界での豊富な人脈を基に経済ジャーナリストとして国内外の経済誌で執筆。近年はビジネス誌、オピニオン誌、経済団体誌、Web媒体等、多様な産業を股に掛けて活動中。

佃 義夫

1970年日刊自動車新聞社入社。編集局記者として自動車全分野を網羅して担当。2000年出版局長として「Mobi21」誌を創刊。取締役、常務、専務主筆・編集局長、代表取締役社長を歴任。2014年に独立し、佃モビリティ総研を開設。自動車関連著書に「トヨタの野望、日産の決断」(ダイヤモンド社)など。執筆活動に加え講演活動も。

熊澤啓三

株式会社アーサメジャープロ エグゼクティブコンサルタント。PR/危機管理コミュニケーションコンサルタント、メディアトレーナー。自動車業界他の大手企業をクライアントに持つ。日産自動車、グローバルPR会社のフライシュマン・ヒラード・ジャパン、エデルマン・ジャパンを経て、2010年にアーサメジャープロを創業。東京大学理学部卒。

福田 俊之

1952年東京生まれ。産業専門紙記者、経済誌編集長を経て、99年に独立。自動車業界を中心に取材、執筆活動中。著書に「最強トヨタの自己改革」(角川書店)、共著に「トヨタ式仕事の教科書」(プレジデント社)、「スズキパワー現場のものづくり」(講談社ピーシー)など。