ドナー共添加ペロブスカイトにおける超プロトン伝導

科学分野:

• 材料科学
• 固体化学
• 電気化学

背景:

• セラミック材料におけるプロトン伝導は、燃料電池などの電気化学的応用において極めて重要である。
• 酸素欠損ペロブスカイトはプロトン伝導の可能性を提供するが、最適化が必要である。
• ドナー添加は、これらの材料におけるプロトン伝導率を向上させるための未開拓の戦略である。

研究 の 目的:

• 酸素欠損BaScO2.5のプロトン伝導率に対するMo/Wドナー共添加の影響を調査する。
• 中間温度域（200～400℃）での高プロトン伝導率達成の可能性を探る。
• ドーピング、酸素空孔、水和、およびプロトン輸送特性の関係を理解する。

主な方法:

• Mo/Wドナー共添加を用いた新しいBaSc1-x-yMoxWyO3-δ化合物の合成。
• 結晶構造と酸素空孔濃度のキャラクタリゼーション（δ）。
• 様々な雰囲気（CO2、O2、H2）下でのプロトン伝導率と化学的安定性の測定。

主要な成果:

• BaSc0.8Mo0.1W0.1O2.8は、例外的なプロトン伝導率（315℃で0.10 S cm⁻¹、193℃で0.01 S cm⁻¹）を示した。
• この材料は、CO2、O2、H2雰囲気下で優れた化学的安定性を示した。
• 高いプロトン伝導率は、豊富な酸素空孔（δ=0.2）、完全な水和、高いプロトン濃度、および強化されたプロトン拡散性に起因すると考えられる。
• ドナー共添加は、アクセプター共添加と比較して低い活性化エネルギーをもたらした。

結論:

• 酸素欠損ペロブスカイトのドナー共添加は、プロトン伝導率を向上させるための非常に効果的な戦略である。
• BaSc0.8Mo0.1W0.1O2.8は、中間温度プロトン伝導体として有望な材料である。
• このアプローチは、次世代のプロトン伝導材料を開発するための強力な設計原理を提供する。