酸化物材料の欠陥の定量的理解による材料開発指針への展開

通过定量了解氧化物材料的缺陷制定材料开发指南

• 批准号: 11J10050
• 负责人: 及川 格
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2011
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2011 至 2013
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J10050/
• 关键词: ペロブスカイト型酸化物; プロトン伝導体; 核磁気共鳴分光法; 局所構造解析; 第一原理計算; プロトントラッピング; 酸素空孔; 希土類元素; ペロブスカイト酸化物; 核磁気共鳴; 局所構造; ペロブスカイト; 固体NMR; 局所環境; 酸化物; Sc-45; プロトン

平成25年度の研究の目的は、核磁気共鳴(nuclear magnetic resonance ; NMR)分光と第一原理計算を用いた局所構造解析によりBaZrO_3系プロトン伝導体の局所構造の定量的理解と粒界伝導度の向上によりプロトン伝導性を向上させることであった。本研究を遂行する過程で、NMR分光によりプロトンの長距離伝導を阻害しているプロトントラッピングを抑制できる知見が得られたため、申請書で計画していた粒界伝導度の向上でなくプロトントラッピングに着目して伝導度向上を目指す研究を行った。その結果、希土類置換BaZrO3プロトン伝導体の長距離伝導の律速過程となっている置換元素によるプロトンのトラッピングについて、拘束を受けていないプロトンの存在をNMRと熱重量分析により示した。それに加えてプロトン伝導性酸化物のキャリア濃度とキャリア形成に関わる欠陥構造、局所構造に着目して研究を行い、NMR分光法を用いたSc置換BaZrO_3プロトン伝導体の解析より局所構造がキャリア濃度に及ぼす影響について示した。さらにNMRと第一原理計算を組み合わせた手法が核位置での電場勾配を指標とすることで酸化物中の格子欠陥などの局所的な構造の理解に役立つことを示した。本研究の意義は置換元素周囲のプロトン量と酸素空孔量を定量的に明らかにすることにより、局所構造の観点からプロトン伝導性を理解する点にある。過去の研究では、電気伝導度測定や熱重量分析により巨視的な視点からプロトン伝導体の理解はかなり進んでいるが、伝導度に直接影響する置換元素周囲の構造といった微視的な観点からの理解はあまり進んでいなかった。本研究では、電気伝導度測定やX線回折では得ることが難しい置換元素周囲の欠陥の情報を局所構造に敏感なNMRと第一原理計算を用いて解析することにより、プロトン濃度と伝導度の向上に資する材料開発指針を得ることができた。

2013年的研究目的是定量了解BaZrO_3基质子导体的局域结构，并通过使用核磁共振（NMR）光谱和第一性原理计算的局域结构分析来确定晶界电导率，目的是提高质子电导率。通过改进。在进行这项研究的过程中，我们通过核磁共振光谱获得了可以抑制阻碍质子长距离传导的质子捕获的知识，我们以此为目标进行了旨在提高导电性的研究。结果，核磁共振和热重分析揭示了取代元素捕获质子时存在不受限制的质子，这是稀土取代的BaZrO3质子导体中长距离传导的速率决定过程。此外，我们重点关注质子传导氧化物的载流子浓度、与载流子形成相关的缺陷结构以及局域结构，并利用核磁共振波谱分析了Sc取代的BaZrO_3质子导体，发现局域结构随着载流子形成的变化而变化。显示了载流子浓度的影响。此外，我们还发现，结合核磁共振和第一性原理计算的方法对于以核位置的电场梯度为指标来理解氧化物中的晶格缺陷等局部结构非常有用。这项研究的意义在于通过定量阐明取代元素周围的质子和氧空位的数量，从局域结构的角度来理解质子的传导性。在过去的研究中，我们通过电导率测量和热重分析从宏观角度理解质子导体取得了相当大的进展，但我们在从微观角度理解质子导体方面取得了相当大的进展，例如直接影响取代基元素周围的结构。对电导率的理解没有太大进展。在这项研究中，我们使用对局部结构敏感的核磁共振和第一性原理计算来分析取代基元素周围的缺陷信息，这是通过电导率测量或X射线衍射难以获得的信息，我们能够获得材料。有助于改进的开发指南。

项目成果

固体NMRを用いた希土類添加BaZrO_3の局所環境解析

使用固态NMR对稀土掺杂BaZrO_3进行局部环境分析

• 发表时间: 2012
• 作者: 及川格