【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　助教　池田陽一
研究室ウェブサイト

〇金属材料研究所　准教授　南部雄亮
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 従来の材料より175倍高い酸化物イオン（O²⁻）伝導度を持つBa₇Nb_3.8Mo_1.2O_20.1を創製
• 新材料は高いプロトン（H⁺）伝導度、高い安定性、希土類や鉛を含まないこと、低い焼結温度という低環境負荷といった特徴も持つ
• バケツリレー型超高速酸化物イオン伝導などの、新しいイオン伝導機構を解明

【概要】

東京工業大学 理学院 化学系の八島正知教授、作田祐一大学院生、藤井孝太郎助教、村上泰斗特任助教（研究当時）、安井雄太大学院生（研究当時）、高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所（研究当時）の萩原雅人博士、東北大学金属材料研究所の池田陽一助教と南部雄亮准教授、オーストラリア原子力科学技術機構（ANSTO）のMaxim Avdeev博士とJames R. Hester博士らの研究グループは、中低温域で高い酸化物イオン伝導度（用語1）、高いプロトン伝導度（用語2）、高い安定性を示す新物質Ba₇Nb_3.8Mo_1.2O_20.1（用語3）を発見した。

Ba₇Nb_3.8Mo_1.2O_20.1の酸化物イオン伝導度は、実用材料のイットリア安定化ジルコニア（YSZ）より、306℃で175倍高く、357℃以下で酸化ビスマス固溶体より高いという結果が得られた。また、湿潤空気中の伝導度（酸化物イオン伝導度とプロトン伝導度の合計）は従来材料Ba₇Nb₄MoO₂₀の13倍であった。さらに、Ba₇Nb_3.8Mo_1.2O_20.1における大量の過剰酸素および水和したH₂Oの酸素原子が、(Nb/Mo)₂O₉二量体（用語4）および五配位多面体(Nb/Mo)O₅（単量体（用語4））として取り込まれ、この二量体、単量体と四面体(Nb/Mo)O₄の消滅と再生成により超高速酸化物イオン伝導が起こることが分かった。この拡散機構ではNb/Moが酸素原子をバケツリレーのように移動させると考えることができる（図1）。超高速酸化物イオン伝導の一因である低い活性化エネルギー（用語5）は、結晶構造における幅広い酸化物イオン伝導層に起因することも見出した。また、結晶構造における六方最密充填BaO₃層におけるプロトン移動が、高いプロトン伝導度の原因であることを明らかにした。この新しいイオン伝導機構の解明により、さらなる新材料の発見が促進されると考えられる。また、希土類や鉛を含まず、焼結温度が1,100～1,200℃と低く、環境負荷、資源、安全、安定性の上でも優れた超高速イオン伝導体Ba₇Nb_3.8Mo_1.2O_20.1の発見は、低コスト高性能燃料電池など電気化学デバイスの開発につながると期待される。

本研究成果は2023年11月14日（米国時間）に米国化学会の学術誌「Chemistry of Materials」に掲載された。

【用語解説】

（１）酸化物イオン伝導度：酸化物イオンが伝導することによる電気伝導度を酸化物イオン伝導度という

（２）プロトン伝導度：プロトンが伝導することによる電気伝導度をプロトン伝導度という。

（３）Ba₇Nb₈Mo_1.2O_20.1：バリウム、ニオブ、モリブデンおよび酸素から構成される酸化物。母物質はBa₇Nb₄MoO₂₀である。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高イオン伝導は新しい研究分野である。今回合成したBa₇Nb_3.8Mo_1.2O_20.1が水和すると、化学組成はBa₇Nb_3.8Mo_1.2O_20.1·x H₂O = Ba₇Nb_3.8Mo_1.2O_20.1-x(OH)_2xであり、HはOHの形で存在する。

（４）単量体、二量体：本研究ではBa₇Nb_3.8Mo_1.2O_20.1における単量体（モノマー）をNbまたはMoの五配位酸素多面体(Nb/Mo)O₅として定義している。ここでNb/MoはNbまたはMo原子を表す。二つの(Nb/Mo)O₅から成る二量体（ダイマー）を(Nb/Mo)₂O₉により定義している。二量体では二つの単量体が点共有した酸素により連結している

（５）活性化エネルギー：酸化物イオン伝導度σはσT = A exp(－E_a/kT)あるいはσ = A exp(－E_a/kT)のように表される。ここでTは絶対温度、E_aがイオン伝導度に対する活性化エネルギー、kはBoltzmann定数である。活性化エネルギーが低いと低温でのイオン伝導度が高くなるので、活性化エネルギーが低い材料がより優れていると考えられる。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

東北大学 金属材料研究所
助教 池田 陽一
Email: yoichi.ikeda.d2*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
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（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
Email: press.imr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
TEL: 022-215-2144 FAX: 022-215-2482