次世代燃料電池の”発電ロス”の正体に迫る ―プロトン伝導体の水素を「電子の孔」に置き換え、その運動性を観測―

2026-07-09 東北大学

東北大学の研究グループは、次世代のプロトン伝導性セラミック燃料電池（PCFC）の発電効率を低下させる要因である「電子ホール（正孔）」の挙動を世界で初めて実験的に観測した。研究では、約6万気圧・700℃の高圧酸化条件を利用して、プロトン伝導体であるSc置換BaZrO₃からプロトンを除去し、代わりに電子ホールを高濃度で導入することに成功した。さらに、固体NMR分光法を用いて電子ホールの運動性を原子レベルで解析し、これまで主役であるプロトンの伝導に隠れて観測できなかった電子ホールの振る舞いを明らかにした。本成果は、PCFCにおける漏れ電流や発電ロスの発生メカニズムの理解を大きく前進させるものであり、発電効率の高い燃料電池用電解質や、電子ホールが電荷を運ぶp型酸化物材料の新たな設計指針につながると期待される。研究成果は材料科学誌『Journal of Materials Chemistry A』に掲載された。

図1.高圧酸化実験用セル（6万気圧・700 ℃）の模式図とプロトン伝導体（Sc置換BaZrO3）中での電子ホールの描像

＜関連情報＞

高圧酸化により ScドープBaZrO₃の純粋なO 2p軌道に注入された電子正孔
Electron holes injected into pure O 2p orbitals of Sc-doped BaZrO₃ by high-pressure oxidation

Ryoga Sato;Itaru Oikawa;Akihiro Ishii;Hitoshi Takamura
Journal of Materials Chemistry A Published:07 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1039/d6ta01637e

Although the orbital hybridization between transition metals and oxygen delocalizes electron holes, the dynamic and distributional nature of electron holes in pure O 2p orbitals, which control the functionality of oxides, has rarely been experimentally investigated. Therefore, we injected electron holes into Sc-doped BaZrO₃ without orbital hybridization between oxygen and metals via high-pressure oxidation, because this material is readily oxidizable among electrolyte oxides. The concentration of the injected electron holes, estimated using ⁴⁵Sc nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, was more than 60% of the theoretical maximum, indicating substantial oxidation. The NMR results indicate that the electron holes in the O 2p orbitals are trapped as polarons in the vicinity of Sc, while locally spreading into the surrounding oxygen within the Zr–O–Zr structure through hybridization with the O 2p orbitals. Using ⁴⁵Sc NMR spectroscopy, their migration was observed as site exchange between two different environments at a rate of over 7 kHz at 40 °C with cooling, which possibly reflects the hopping frequency of the electron holes. These insights are expected to contribute to the development of various properties of oxides, such as the enhancement of electronic conductivity in p-type transparent conducting oxides, the stabilization of anion redox reactions in battery cathodes, and the improvement of the hydration capacity and electronic conductivity of proton conductors.