【本学研究者情報】

〇大学院工学研究科　教授　高村仁
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【発表のポイント】

• プロトン伝導性セラミックス燃料電池の電解質へのフッ素（F）の固溶挙動を、固体NMR分光法^（注1）を用いて世界で初めて定量的に評価しました。
• 結晶構造中の酸素をフッ素で置換することで、プロトン導入が阻害され、プロトン伝導度が低下するメカニズムを解明しました。
• 一方、電子ホール伝導度^（注2）はフッ素置換により最大3桁向上することを発見し、高性能空気極開発につながる指針を得ました。

【概要】

急増するデータセンターの電力需要に対応するために燃料電池、特に、中温域（400〜600℃）で作動するプロトン（H⁺）伝導性セラミック燃料電池（PCFC）が注目されています。近年、その電解質中の酸素の一部をフッ素置換すると性能が向上する報告がなされ、新材料創製アプローチとして注目されていました。しかし、フッ素量の制御や格子内に導入されるフッ素量を正確に定量した例はなく、プロトン伝導特性への影響も未解明のままでした。

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、スカンジウム（Sc）置換ジルコン酸バリウムに対し、高温トポケミカル反応^（注3）によりフッ素を導入し、¹⁹F固体NMR分光法と第一原理計算（DFT計算）^（注4）を組み合わせることで、フッ素量を高精度に定量し、フッ素がプロトン濃度ならびにその伝導度を低下させること、一方で、Scとコバルト（Co）を共添加した場合は、フッ素導入により電子ホール伝導度が大幅に向上することを発見しました。

本研究成果は、プロトン伝導体のフッ素置換に関する新たな欠陥化学^（注5）の理解を与えるとともに、PCFC空気極に用いられる高性能な混合伝導体の設計に貢献するものです。

本研究成果は、2026年11月6日付で材料科学分野の国際学術誌Journal of Materials Chemistry Aにオンライン掲載されました。

【用語解説】

注1. 固体NMR（核磁気共鳴）分光法：強力な磁場中で原子核が示す共鳴現象を利用し、特定の原子周辺の局所的な結合状態や配位環境を調べる手法。本研究では19F核を対象とし、試料を高速回転させるマジック角回転（MAS）法を用いて結晶内のフッ素を精密に定量した。

注2. 電子ホール伝導度：結晶中で電子が不足した部分（正孔）が、正の電荷キャリアとして移動することによって生じる電気伝導性。燃料電池の空気極などでは、反応を促進するためにプロトンと電子ホール両方が流れる性質（混合伝導性）が求められる。

注3. トポケミカル反応：母体となる結晶の骨格構造を壊さず、特定のイオンのみを挿入・脱離・置換する化学反応。本研究では固相反応により合成した酸化物に、固体のフッ素源（BaF2）を高温で反応させることで酸素サイトへのフッ素置換を実現した。

注4. 第一原理計算（DFT計算）：量子力学に基づき、実験パラメータを用いることなく物質の電子状態や結晶構造の安定性、NMR化学シフトなどを高精度にシミュレーションする手法。

注5. 欠陥化学：結晶構造中に存在する様々な「格子欠陥」（空孔、置換・侵入した異種元素、電子や電子ホールなど）の生成メカニズムや存在量、それらの間の相互作用・平衡関係を熱力学的に扱う化学分野。

【論文情報】

タイトル：Fluorine incorporation in Sc-doped barium zirconate: ¹⁹F NMR-based quantitative defect chemistry and transport properties
著者：Kohei Kato, Mei Asakura, Akihiro Ishii, Itaru Oikawa, 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/D6TA05303C

詳細（プレスリリース本文）

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