東工大の研究者らは六方晶系ペロブスカイトに関連するBaを特定した₅R₂アル₂SnO₁₃酸化物（R = 希土類金属）は、プロトン伝導性と熱安定性が非常に高い材料です。

その独特の結晶構造と多数の酸素空孔により、完全な水和と高いプロトン拡散が可能となり、これらの材料は中間温度で劣化することなく動作できる次世代プロトンセラミック燃料電池の電解質として理想的な候補となります。この研究は、燃料電池技術。

燃料電池は、次のような問題に対する有望なソリューションを提供します。クリーンエネルギー水素と酸素を組み合わせて発電し、副産物として水と熱のみが生成されます。それらは、アノード、カソード、および電解質で構成されます。水素ガスはアノードに導入され、そこでプロトン（H⁺）と電子。

電子は電流を生成し、プロトンは電解質を通ってカソードに移動し、そこで酸素と反応して水を形成します。ほとんどの燃料電池は固体酸化物型燃料電池 (SOFC) であり、電解質として酸化物イオン伝導体を使用します。ただし、SOFC の大きな課題は、高い動作温度が必要であり、時間の経過とともに材料が劣化することです。

これに対処するために、プロトン伝導性を利用したプロトンセラミック燃料電池（PCFC）が登場しました。セラミック材料電解質が研究されているためです。これらの燃料電池は、中間のより管理しやすい温度 200 ～ 500 °C で動作できます。しかし、両方の高い性能を発揮する適切な材料を見つけることは、プロトン伝導度そして、これらの中間温度での化学的安定性は依然として課題です。

研究でに掲載されましたアメリカ化学会誌では、東京工業大学（東工大）の八島正知教授率いる研究者が、東北大学の研究者と協力して、大きな進歩を遂げました。

彼らは、化学的に安定した六方晶系ペロブスカイト関連酸化物Baを特定しました。₅R₂アル₂SnO₁₃（Rは希土類金属Gd、Dy、Ho、Y、Er、Tm、Ybを表す）ほぼ0.01 S cmの高いプロトン伝導性を有する有望な電解質材料として^-1これは、約 300 °C の他のプロトン伝導体の温度よりも著しく高いです。

「この研究で、我々はセラミックプロトン伝導体の中で最も高いプロトン伝導体の一つである新規六方晶系ペロブスカイト関連酸化物Baを発見しました。₅えー₂アル₂SnO₁₃これは高速陽子伝導体の開発にとってブレークスルーとなるでしょう」と八島氏は言う。

この材料の高いプロトン伝導性は、独特の結晶構造を有する酸素欠乏性の高い材料における完全な水和に起因すると考えられます。この構造は、八面体層と酸素欠乏六方最密充填 AO の積層として視覚化できます。_3?δ(h') 層 (A は Ba などの大きな陽イオン)²⁺および δ は酸素欠損の量を表します)。

水和すると、これらの空孔は水分子からの酸素によって完全に埋められ、水酸基(OH™)、プロトンを放出 (H⁺）構造内を移動し、導電性を高めます。

研究では、研究者らはBaを合成した。₅えー₂アル₂SnO₁₃(BEAS) 固体反応を使用します。材料には大量の酸素欠損 (Σ = 0.2) があり、完全な水和の能力を示す 1 の部分水分摂取量を示しました。テストしたところ、湿潤窒素環境における導電率は、356 ℃の乾燥窒素環境よりも 2,100 倍高いことがわかりました。完全に水和すると、0.01 S cm の導電率を達成^-1303℃で。

さらに、八面体層内の原子の配置によりプロトンの移動経路が提供され、プロトン伝導性がさらに向上します。Baのシミュレーションにおいて₅えー₂アル₂SnO₁₃・・H₂O、研究者らは、Ba で表される結晶構造の 2×2×1 スーパーセル内の陽子の動きを研究しました。₄₀えー₁₆アル₁₆SN₈○₁₁₂H₁₆。この構造には、2 つの h' 層と 2 つの八面体層が含まれています。研究者らは、八面体層の陽子が長距離の陽子の移動を示し、陽子の高速拡散を示していることを発見した。

「BEAS の高いプロトン伝導性は、その高いプロトン濃度と拡散係数によるものです」と八島氏は説明します。

高い導電率に加えて、この材料は PCFC の動作温度でも化学的に安定しています。酸素、空気、水素、CO の湿潤雰囲気下で材料をアニールする場合₂研究者らは、600 °C でその組成と構造に変化がないことを観察しました。これは、材料の堅牢な安定性と、劣化することなく連続運転に適していることを示しています。

「これらの発見は、プロトン伝導体に新たな道を切り開きます。酸素欠乏性の高い六方晶系ペロブスカイト関連材料の完全な水和と八面体層での高速プロトン移動による高いプロトン伝導性は、次世代プロトン伝導体開発の効果的な戦略となるでしょう」と八島教授は語る。。この材料はその優れた特性により、効率的で耐久性があり、低温の燃料電池につながる可能性があります。