阐明磷灰石型氧化物离子导体中高离子电导率的原因 - 间隙氧的缺乏推翻了既定理论 -

东京工业大学
V体育
新居滨国立工业大学
国立科学技术研究院
日本原子能机构
J-PARC 中心

要点

• 磷灰石型氧化物离子导体无间隙氧且有Si空位
• 高离子电导率的原因是晶体结构中存在的氧化物离子的不稳定
• 有望带动高性能燃料电池、传感器、氧气分离膜等的发展

图：通过单晶中子衍射法揭示的磷灰石型氧化物离子导体La_9.333硅₆O₂₆和
啦_9.565(硅_5.826□_0.174)O₂₆的晶体结构及其高离子电导率的影响因素

摘要

　研究小组成员包括东京工业大学化学系助理教授藤井幸太郎、V体育生命与应用化学系、新居滨工业大学教授八岛雅智教授、福田晃一郎教授。我们与应用生物化学系的 Akira Nakayama 教授、V体育名誉教授石泽伸夫、CROSS 中子科学中心花岛 Takayasu 研究员和日本原子能机构 J-PARC 中心研究主任 Takashi Ohara 合作，首次在原子水平上揭示了导致磷灰石型氧化物离子导体*1高离子电导率的因素。该材料可应用于近年来备受关注的固体氧化物燃料电池（SOFC或SOFC）、传感器和氧气分离膜*2，并可能为解决未来能源和环境问题提供线索。
传统上，人们认为磷灰石型氧化物离子导体的高离子电导率是由于晶体结构中存在间隙氧*3，但在本实验中，并未证实间隙氧的存在，而是揭示了硅（Si）空位的存在，并且晶体结构中存在的氧化物离子广泛分布在特定方向上，这是高离子电导率的结构原因。该成果发表在英国皇家化学会出版的国际材料化学杂志材料化学杂志。一个2018年4月16日预定出版电子版和书籍版。

※1 磷灰石型氧化物离子导体
磷灰石型化合物A_10-x(xO₄)₆Y_2±Y　( =A_10-xx₆O₂₄ Y_2±Y)，如图2xO₄ (x=Si、Mg、Ge、P 等）四面体和阳离子A （A=La、Ca等)和离子Y　（Y= O、OH、F、Cl等），具有六方基本结构。其中下标x和Y每个都是一个阳离子A和阴离子Y的空缺数量或过剩数量允许氧离子（O）在固体或液体中移动的物质称为氧离子导体。磷灰石型稀土 (R)硅酸盐(A＝R, x= Si，Y= O;R_10-x(二氧化硅₄)₆O_2±Y　(=R_10-x硅₆O_26±Y))是一种氧化物离子导体，具有高氧化物离子电导率。磷灰石型稀土硅酸盐是一种很有前景的离子导体，在600℃以下的中低温下具有较高的离子电导率。
※2 固体氧化物燃料电池（SOFC或SOFC）、传感器、氧气分离膜
燃料电池是一种通过电化学反应利用氢气等燃料发电的电池。氧化物离子导体可用作固体氧化物燃料电池中的固体电解质或电极材料。传感器是识别环境特定变化的装置，可以测量氧气量的氧气传感器可以例如测量汽车尾气中的氧气量。氧气分离膜是只允许氧气通过的膜，可作为生产高纯度氧气的材料。
※3 间隙氧
晶体结构具有原子周期性排列的结构，原子排列中的间隙（间隙）之间存在的氧离子称为间隙氧。

论文发表

发表的论文： 材料化学杂志A
论文名称：“缺硅 La 中的过键沟道氧导致高氧化物离子电导率_9.565（硅_5.826□_0.174)O₂₆不含间隙氧的磷灰石”
作者：Kotaro Fujii、Masatomo Yashima、* Keisuke Hibino、Masahiro Shiraiwa、Koichiro Fukuda、Susumu Nakayama、Nobuo Ishizawa、Takayasu Hanashima 和 Takashi Ohhara（* 联系作者）
DOI：101039/C8TA02237B
http://pubsrscorg/en/Content/ArticleLanding/2018/TA/C8TA02237B#!divAbstract

另外，这项研究中介绍过

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