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

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。

元素的占据规则和不规则性对材料的性能有很大影响。因此，定量分析占用规则和违规行为非常重要。今年，我们将开发一种新方法，RXRD/NMR，结合了共振X射线衍射（RXRD）和固态核磁共振（NMR），用于测量Ba7Nb4MoO20.15H0.3，一种新型六方钙钛矿相关氧化物，通过使用这种方法，我们阐明了Mo的隐藏规则占据。此外，通过第一性原理计算，揭示了这种隐藏的Mo占据规则与高离子电导率有关。该结果可以为未来寻找更多创新离子导体提供指导，并为研究离子传导机制奠定基础。本研究新开发的RXRD/NMR方法可以阐明常用X射线和中子衍射实验中隐藏的约270种元素的占据规则和不规则性。 RXRD/NMR方法是一种通用性很强的方法，可广泛应用于粉末和多晶材料，可以说它为阐明占位规则和不规则性开辟了一条新途径。该成果受到高度评价并发表在《Nature Comm》上。此外，通过用W取代Ba7Nb4MoO20中的部分Nb，他们发现了Ba7Nb3.85W0.15MoO20.075这种抑制质子传导性并提高氧化物离子传导性的材料。这种新材料还具有高度化学稳定性，可用于燃料电池等应用。基于上述结果，我们发现了一种具有六方钙钛矿相关结构的离子导体，并阐明了其晶体结构与离子电导率之间的关系。新创建的 RXRD/NMR 方法将对材料科学做出巨大贡献。因此，可以说进展已经超出了原计划。

项目成果

ANSTO(オーストラリア)

安斯托（澳大利亚）

Oxide-Ion Occupational Disorder, Diffusion Path, and Conductivity in Hexagonal Perovskite Derivatives Ba3WNbO8.5 and Ba3MoNbO8.5

六方钙钛矿衍生物 Ba3WNbO8.5 和 Ba3MoNbO8.5 中的氧离子职业障碍、扩散路径和电导率

• DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c09416
• 发表时间: 2022
• 作者: Yasui Yuta;Tsujiguchi Takafumi;Sakuda Yuichi;Hester James R.;Yashima Masatomo
• 通讯作者: Yashima Masatomo

六方ペロブスカイト関連構造を持つ 高い酸化物イオン伝導体における伝導経路の解明

阐明具有六方钙钛矿相关结构的高氧离子导体中的传导路径

• 发表时间: 2022
• 作者: 城島 一暁; 安井 雄太; 八島 正知
• 通讯作者: 八島 正知

High Oxide‐Ion Conductivity in a Hexagonal Perovskite‐Related Oxide Ba7Ta3.7Mo1.3O20.15 with Cation Site Preference and Interstitial Oxide Ions

六方钙钛矿相关氧化物 Ba₇Ta_3.7Mo_1.3O_20.15 与阳离子的高氧化物离子电导率位点偏好和间隙氧离子

• DOI: 10.1002/smll.202106785
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 13.3
• 作者: Murakami Taito;Shibata Toshiya;Yasui Yuta;Fujii Kotaro;Hester James R.;Yashima Masatomo
• 通讯作者: Yashima Masatomo

六方ペロブスカイト関連構造を持つ 高い酸化物イオン伝導体における伝導経路の解明

阐明具有六方钙钛矿相关结构的高氧离子导体中的传导路径

• 发表时间: 2022
• 作者: 城島 一暁; 安井 雄太; 八島 正知
• 通讯作者: 八島 正知