次世代燃料電池材料のフッ素置換効果を解明 ―19F固体NMRによる定量評価でプロトンと電子ホールの伝導機構に迫る―

2026-11-09 東北大学

東北大学の研究グループは、プロトン伝導性セラミックス燃料電池（PCFC）の材料であるスカンジウム（Sc）置換ジルコン酸バリウムに着目し、結晶中の酸素をフッ素で置換した際の構造と電気伝導特性への影響を解明した。高温トポケミカル反応でフッ素を導入し、¹⁹F固体NMRと第一原理計算を組み合わせることで、結晶格子内のフッ素量を定量的に評価した。その結果、フッ素置換はプロトンの導入を妨げ、プロトン伝導度を低下させる一方、Scとコバルト（Co）を共添加した材料では、電子ホール伝導度が最大3桁向上することを明らかにした。この知見は、プロトンと電子ホールの双方を輸送する混合伝導体の設計に役立ち、400～600℃で作動する次世代PCFCの高性能空気極材料の開発につながる。

図1. 19F固体NMRにより捉えたSc置換BaZrO3（BaZr1-xScxO3-δ）結晶中でフッ素が酸素を置換している描像と、ScとCo共添加試料でフッ素置換により向上した電子ホール伝導度の温度依存性

＜関連情報＞

Scドープジルコン酸バリウムへのフッ素導入：¹⁹F NMRに基づく定量的欠陥化学と輸送特性
Fluorine incorporation in Sc-doped barium zirconate: ¹⁹F NMR-based quantitative defect chemistry and transport properties

Kohei Kato; Mei Asakura; Akihiro Ishii; Itaru Oikawa; Hitoshi Takamura
Journal of Materials Chemistry A Published:06 November 2026
DOI:https://doi.org/10.1039/d6ta05303c

In recent years, fluorine substitution at oxygen sites in oxide-based proton conductors has attracted considerable attention as a relatively new approach for enhancing proton conductivity. However, the incorporation behavior of fluorine has not yet been investigated in detail, and the mechanism underlying the reported enhancement remains unclear. In this work, ¹⁹F nuclear magnetic resonance (¹⁹F NMR) spectroscopy was employed to elucidate the incorporation behavior of fluorine in Sc-doped BaZrO₃, and the amount of incorporated fluorine was quantitatively evaluated. The results revealed that fluorine can be incorporated as a charge-compensating species for defects generated by acceptor doping, leading to a reduction in proton concentration and indicating a negative impact on proton conductivity. Therefore, fluorine incorporation as an approach to enhance proton conductivity should be carefully considered. In addition, fluorine incorporation into Sc- and Co-co-doped BaZrO₃ was investigated, demonstrating that fluorine incorporation in proton-hole conductors has a positive effect on hole conductivity.