2010年2月8日
左から市川能也 特定助教、島川教授
島川祐一 化学研究所教授を中心とする研究グループは、ペロブスカイト構造酸化物の単結晶薄膜を用いて還元反応を研究する過程で、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ました。
燃料電池はクリーンなエネルギー源として大きな期待を寄せられています。特に固体燃料電池は、電池内に液体を一切に使わないなどの利点もあり注目を集めています。しかしながら、鍵となる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でした。
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ことから、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物質です。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見出され、この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ました。
今回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ました。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に変化します。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ました。
本研究の成果は、固体酸化物中の酸素イオンの動きをはじめて明らかにしたものであり、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ます。
なお本研究は、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 教授らとの共同研究によるものであり、研究の一部は日本学術振興会二国間交流事業共同研究: フランス（CNRS）との共同研究「遷移金属酸化物の構造・酸素量・イオン状態の制御とその機能探求」の支援を受けて行われたものです。
この成果は、2010年2月8日午前3時（日本時間）にNature Chemistry電子版で公開されました。
図： 固体酸化物における低温での酸素イオン拡散
- 京都新聞（2月8日夕刊 8面）、産経新聞（2月9日 24面）、日刊工業新聞（2月9日 26面）、日経産業新聞（2月9日 11面）および科学新聞（2月19日 1面）に掲載されました。