六方ペロブスカイト関連構造をもつ新型超イオン伝導体の探索と構造物性研究

寻找具有六方钙钛矿相关结构的新型超离子导体及结构性能研究

• 批准号: 20J23124
• 负责人: 安井 雄太
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J23124/
• 关键词: 結晶構造; 規則・不規則性; 核磁気共鳴; X線回折; 中性子回折; イオン伝導体; 第一原理計算; 共鳴X線回折; 六方ペロブスカイト; 放射光X線回折; 燃料電池; その場観察; 不規則性(ディスオーダー); 酸化物; イオン伝導経路; 高温その場; スクリーニング; 六方ペロブスカイト関連構造; 結晶構造; 規則・不規則性; 核磁気共鳴; X線回折; 中性子回折; イオン伝導体; 第一原理計算; 共鳴X線回折; 六方ペロブスカイト; 放射光X線回折; 燃料電池; その場観察; 不規則性(ディスオーダー); 酸化物; イオン伝導経路; 高温その場; スクリーニング; 六方ペロブスカイト関連構造

元素の占有規則・不規則性は材料の性質に大きな影響を与える。したがって、占有規則・不規則性を定量的に解析することは重要である。本年度はトップクラスのイオン伝導度をもつ新たな六方ペロブスカイト関連酸化物Ba7Nb4MoO20.15H0.3に対し、共鳴X線回折(RXRD)と固体核磁気共鳴(NMR)を組み合わせた新たな手法RXRD/NMR法を用いることで、隠されたMoの規則占有を解明した。さらに第一原理計算を行うことで、この隠れていたMoの占有規則が高いイオン伝導度に関わっていることが判明した。この結果は今後さらなる革新的なイオン伝導体を探索するための指針、およびイオン伝導メカニズムを研究するための基礎になりうる。本研究で新たに作られたRXRD/NMR法は、通常使われるX線や中性子回折実験では隠れてしまう約270種の元素の占有規則・不規則性を解明できる。RXRD/NMR法は粉末・多結晶材料に幅広く適用できる汎用性が高い手法であり、占有規則・不規則性を解明するための新しい道を切り拓いたと言える。この成果は高く評価され、Nature Comm.に掲載された。また、Ba7Nb4MoO20のNbの一部をWに置換することで、プロトン伝導度を抑えて酸化物イオン伝導度を向上した物質Ba7Nb3.85W0.15MoO20.075を発見した。この新材料は化学的安定性も高い新材料であり、燃料電池などの応用につながる可能性がある。以上の成果より、六方ペロブスカイト関連構造をもつイオン伝導体を発見すること、およびその結晶構造とイオン伝導度の関係を明らかにすることができた。新たに作り出したRXRD/NMR法は材料科学へ資するところが大きい。したがって、当初の計画以上に進展していると言える。

元素的占用规则和不规则性对材料的特性有重大影响。因此，定量分析占用规则和违规行为很重要。今年，我们通过使用新的RXRD/NMR方法阐明了隐藏的MO规则的占用率，该方法结合了谐振X射线衍射（RXRD）和固态核磁共振（NMR），用于新的Hexagonal Perovskite氧化物钙钛矿相关的氧化物BA7NB4B4MOO20.15H0.3.3，具有top-clastitivation。此外，第一原理计算表明，隐藏的MO占用规则与高离子电导率有关。该结果可以作为研究未来进一步创新的离子导体和研究离子传导机制的基础。本研究中新创建的RXRD/NMR方法可以阐明大约270个元素的占用规则和不规则性，这些元素隐藏在常用的X射线和中子衍射实验中。 RXRD/NMR方法是一种用途高度的方法，可以广泛应用于粉末和多晶材料，可以说是铺平了阐明占用规则和不规则性的新途径。这项成就受到了自然界的高度赞扬和特色。此外，我们发现了BA7NB3.85W0.15MOO20.075，该材料通过用W中的BA7NB4MOO20替换NB的一部分来抑制质子电导率并改善氧化物离子电导率。该新材料也高度化学稳定，并且可能导致燃料电池诸如燃料电池之类的材料。从上述结果中，我们能够发现具有六角形钙钛矿相关结构的离子导体，并阐明其晶体结构与离子电导率之间的关系。新创建的RXRD/NMR方法对材料科学有重大贡献。因此，可以说该计划的进展比原先计划的要多。