【本学研究者情報】

〇大学院工学研究科　教授　髙村仁
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• プロトン伝導体^（注1）中のプロトンを排除し、代わりに発電ロスの原因である「電子ホール^（注2）」を、プロトンに匹敵する高濃度で導入することに成功しました。
• 6万気圧の高圧酸化^（注3）により導入された電子ホールの運動性が、固体NMR分光法^（注4）により初めて観測されました。
• 燃料電池の発電ロス抑制やp型酸化物の材料設計につながる成果です。

【概要】

次世代のクリーンエネルギー源として期待される「プロトン伝導性セラミック燃料電池（PCFC）」の電解質材料において、発電効率を低下させる最大の原因である「電子ホール（正孔）」の挙動は謎に包まれていました。それは、電子ホールが材料中にわずかにしか存在せず、主役のプロトンの運動に隠れてしまうためでした。

東北大学大学院工学研究科の高村仁教授らの研究グループは、6万気圧という高圧かつ高濃度酸素の極限環境において、電解質材料内のプロトンを取り除いたうえで、高濃度の電子ホールを導入することに成功しました。これにより、これまで測定が困難であった「PCFC電解質材料中の電子ホールの運動性」が固体NMR（核磁気共鳴）分光法により世界で初めて実験的に観測されました。この成果は、PCFCの発電ロスを抑制する材料設計や、電子ホールが伝導するp型酸化物の新しい材料設計に貢献します。

本研究成果は、2026年7月7日に材料科学分野の国際的な学術誌であるJournal of Materials Chemistry Aに掲載されました。

【用語解説】

注1. プロトン伝導体：プロトン（H⁺）が結晶中を移動することで電気を運ぶ材料。次世代型燃料電池の固体電解質として注目されている。

注2. 電子ホール（正孔）：酸化物中で、酸素から電子が1個抜けてできた「電子の空席」。プラスの電荷をもつように振る舞い、その移動がPCFCのリーク（漏れ電流）の原因となる。

注3. 高圧酸化：数万気圧の高圧と酸素供給源を組み合わせ、常圧では入りにくい量の酸素を結晶に押し込んで酸化させる手法。本研究では約6万気圧（6 GPa）で実施。

注4. 固体NMR（核磁気共鳴）分光法：原子核が磁場中で示す共鳴を利用し、特定原子のごく近傍の状態や動きを原子スケールで調べる手法。本研究では⁴⁵Scと¹⁷Oを観測核に用いた。

【論文情報】

タイトル：Electron holes injected into pure O 2p orbitals of Sc-doped BaZrO₃ by high-pressure oxidation
著者：Ryoga Sato, Itaru Oikawa, Akihiro Ishii, Hitoshi Takamura*
*責任著者：東北大学大学院工学研究科　教授　高村 仁
掲載誌：Journal of Materials Chemistry A（英国王立化学会）
DOI：10.1039/d6ta01637e

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）
東北大学大学院工学研究科
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Email: takamura*material.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

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TEL: 022-795-5898
Email: eng-pr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）