固体酸化物における低温での酸素イオン拡散の解明 －低温動作可能な固体酸化物燃料電池開発へ向けた新知見－ — 京都大学.

京都大学 化学研究所の島川祐一教授と、京都大学大学院工学研究科物質エネルギー化学専攻、陰山 洋 教授、フランス レンヌ第一大学、Werner Paulus 教授らは共同で、ペロブスカイト構造酸化物の単結晶薄膜を用いた還元反応の研究の過程で、固体酸化物中での酸素イオンの拡散が300℃以下で異方的に起こることを発見したと発表した。低温でも動作する固体酸化物燃料電池の開発に繋がる成果だという。Nature Chemistry電子版で公開された。

に固体燃料電池は、電池内に液体を一切使わない利点があるが、固体電解質におけるイオン伝導が通常は700℃以上の高温でしか起こらない。そのため、広範な実用化のためにはより低温でのイオン伝導材料を開発することが必要とされていた。

ペロブスカイト構造酸化物は高温（700℃～900℃）で酸素イオン伝導を示す。そのため固体酸化物燃料電池の電解質として広く研究開発されてきた。最近、このペロブスカイト構造の酸化物をアルカリハライドで還元することで、より多くの酸素の離脱が起こることが分かり、反応過程での酸素の拡散を伴う酸化還元反応を解明することが固体電解質を開発するための鍵として注目されていたという。

今回の研究グループの実験では、パルスレーザー蒸着法という薄膜成長技術を用いて、酸素欠損ペロブスカイト構造であるブラウンミレライト構造酸化物CaFeO2.5のエピタキシャル単結晶薄膜を結晶方位を制御して成長させることに成功した。

この薄膜は、CaH2というアルカリハライド還元剤を用いると300℃での低温においても還元反応が進行し、無限層構造CaFeO2に変化する。この時の酸素の離脱が起こるためのイオンの拡散が、結晶内の二方向に沿ってしかも異なる拡散エネルギーで起こることをはじめて突き止めた。

この研究成果は、固体酸化物中の酸素イオンの動きを初めて明らかにしたもので、低温で動作可能な固体酸化物燃料電池の電解質などの開発に役立つものとして期待されているという。

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