2種元素の添加で中低温のプロトン伝導度を著しく向上~既存材料を大きく上回る伝導度と、高い化学的安定性を両立~

2026-02-17 東京科学大学

東京科学大学理学院の八島正知教授らは、BaScO2.5に6価のMoとWを同時添加した新セラミックBaSc0.8Mo0.1W0.1O2.8を開発し、200~400℃の中低温域で世界最高水準のプロトン伝導度と高い化学的安定性を達成した。193℃で10-2 S cm-1、315℃で0.1 S cm-1を示し、「ノルビーギャップ」を克服。ドナー共添加により大量の酸素空孔を完全水和し、高濃度かつ高速なプロトン拡散を実現した。中性子回折と第一原理計算でトラップ抑制と低活性化エネルギーを解明。低温作動のPCFCやPCEC実用化を加速する成果で、Angewandte Chemie International Editionに掲載された。

2種元素の添加で中低温のプロトン伝導度を著しく向上~既存材料を大きく上回る伝導度と、高い化学的安定性を両立~
図1. 本研究では、BaScO2.5にMo/Wをドナー共添加することで創製したBaSc0.8Mo0.1W0.1O2.8が、193℃において 10-2 S cm-1に達する超プロトン伝導度を示すことを報告する(左図の赤い丸と線)。アクセプター共添加したBZCYYbよりBaSc0.8Mo0.1W0.1O2.8のプロトン伝導度は高い。高いプロトン伝導度は、高いプロトン濃度およびプロトン移動経路(右図赤矢印)の形成による高いプロトン拡散係数に起因する。 ©著者ら(2026)

<関連情報>

ドナー共ドープペロブスカイトにおける超プロトン伝導 Superprotonic Conduction in Donor Co-Doped Perovskites

Kensei Umeda, Dr. Kei Saito, Dr. Takashi Honda, Prof. Masatomo Yashima
Angewandte Chemie International Edition  Published: 19 January 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202521773

Abstract

Donor doping of oxygen-deficient BaScO2.5 is an unexplored strategy for achieving high proton conductivity at intermediate temperatures of 200−400 °C. In this work, a new series of BaSc1−xyMoxWyO3−δ compounds was prepared via Mo/W donor co-doping where x is the Mo content, y is the W content, and δ is the amount of oxygen vacancies. The present work reports the enhancement of proton conductivity by the Mo/W donor co-doping of BaScO2.5. BaSc0.8Mo0.1W0.1O2.8 exhibits exceptional proton conductivity—0.10 S cm1 at 315 °C and 0.01 S cm1 at 193 °C—alongside outstanding chemical stability in CO2, O2, and H2 atmospheres. The high proton conductivity originates from the synergistic effects of abundant oxygen vacancies (δ = 0.2) and full hydration, yielding a high proton concentration, coupled with high proton diffusivity. The high diffusivity is attributable to the reduced proton trapping compared with acceptor and isovalent doping and overdoping due to higher proton concentration. In contrast to the acceptor co-doping, the donor co-doping does not increase the activation energy, resulting in lower activation energy and higher proton conductivity. These findings establish donor co-doping into the oxygen-deficient perovskites as a powerful design principle for next-generation proton conductors with high proton conductivity at intermediate temperatures.

0501セラミックス及び無機化学製品
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