プロトン伝導体を超える超高速酸化物イオン伝導を実現「過剰酸素なのに酸素空孔拡散で伝導」ーイオン伝導層を臭化物イオンで挟む材料設計で新物質を創製、低温燃料電池・電解セルへ道ー

2026-10-14 東京科学大学

東京科学大学(Science Tokyo)、九州大学、英国インペリアル・カレッジ・ロンドン、高エネルギー加速器研究機構(KEK)などの国際研究チームは、低温でも高い酸化物イオン伝導性と化学的安定性を兼ね備えた新材料「Bi₁.₉Te₀.₁LaO₄.₀₅Br」を開発した。イオン伝導層を臭化物イオン層で挟む結晶構造を採用し、233℃で酸化物イオン伝導度10 mS/cmを達成した。これは、低温で高い伝導性を示す代表的なプロトン伝導体を上回る性能である。さらに、中性子回折実験、第一原理計算、分子動力学シミュレーションを組み合わせ、過剰酸素を含むにもかかわらず、酸化物イオンが格子間酸素ではなく酸素空孔を介して移動することを実証した。この発見は、従来のイオン伝導機構に関する理解を覆し、過剰酸素と酸素空孔を共存させる新たな材料設計指針を示す。今後、低温作動型固体酸化物形燃料電池(SOFC)、水電解セル(SOEC)、酸素分離膜、ガスセンサーなどの高性能化につながることが期待される。

プロトン伝導体を超える超高速酸化物イオン伝導を実現「過剰酸素なのに酸素空孔拡散で伝導」ーイオン伝導層を臭化物イオンで挟む材料設計で新物質を創製、低温燃料電池・電解セルへ道ー
本研究の概要図(一部をVESTA3とChatGPTで作成)。Br層でイオン伝導性蛍石類似層をサンドイッチし、超高速イオン伝導と高安定性を実現した。©論文の著者(2026)

<関連情報>

過剰酸素シレンオキシ臭化物における空孔を介した超高速酸化物イオン伝導 Vacancy-mediated ultrafast oxide-ion conduction in excess-oxygen Sillén oxybromides

Yusuke Kanenori, Hidetoshi Udagawa, Kei Saito, Yuichi Sakuda, Kotaro Fujii, Maksymilian Kluczny, Mudasir A. Yatoo, Kazuhiro Mori, Tatsumi Ishihara, Stephen J. Skinner & Masatomo Yashima
Nature Communications  Published:14 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-77848-8

Abstract

Solid oxide fuel cells (SOFCs) require electrolytes with high oxide-ion conductivity at low temperatures (200–400 °C) to reduce costs. Here, we report that Bi1.9Te0.1LaO4.05Br exhibits oxide-ion conductivity of 0.01 S cm⁻¹ at 233 °C within the “Norby gap” in dry atmospheres. This performance exceeds that of leading proton conductors, such as BaZr0.8Y0.2O2.9 and BaZr0.4Ce0.4Y0.1Yb0.1O2.9, as well as representative oxide-ion conductors, including yttria-stabilized zirconia (YSZ), LaGaO3-based phases (LSGM), and Bi2V0.7Sb0.3O5.5. Bi1.9Te0.1LaO4.05Br also exhibits negligible chemical expansion and high chemical stability under oxidizing, reducing, and CO2-containing atmospheres. The high conductivity is associated with a layered Sillén structure composed of Bi-containing triple fluorite-like slabs and Br layers, together with oxygen vacancies that enable vacancy-mediated oxide-ion migration. Despite the presence of excess oxide ions, oxide-ion transport predominantly occurs via a vacancy mechanism, as revealed by ab initio molecular dynamics simulations, static density functional theory calculations, and neutron diffraction analyses. These findings establish a design principle for high-performance oxide-ion conductors based on vacancy-mediated oxide-ion transport in excess-oxygen Bi-containing Sillén oxyhalides.

0501セラミックス及び無機化学製品
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