[論文レビュー] A protonated brownmillerite electrolyte for superior low-temperature proton conductivity

Nianpeng Lu, Yujia Wang+19 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Advancements in Solid Oxide Fuel Cells参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、優れた低温プロトン伝導性を示すプロトン化されたブラウンミラーイト電解質であるHSrCoO2.5を紹介する。室温から140 °Cの範囲で高いイオン伝導度を達成する。性能の向上は、特異な結晶構造に起因する高いプロトン濃度と整然とした酸素空孔チャネルに起因しており、実験と第一原理計算によって確認された。本研究は、エネルギー応用における固体酸化物電解質の新たな設計戦略を提示する。

ABSTRACT

Design novel solid oxide electrolyte with enhanced ionic conductivity forms one of the Holy Grails in the field of materials science due to its great potential for wide range of energy applications. Conventional solid oxide electrolyte typically requires elevated temperature to activate the ionic transportation, while it has been increasing research interests to reduce the operating temperature due to the associated scientific and technological importance. Here, we report a conceptually new solid oxide electrolyte, HSrCoO2.5, which shows an exceptional enhanced proton conductivity at low temperature region (from room temperature to 140 oC). Combining both the experimental results and corresponding first-principles calculations, we attribute these intriguing properties to the extremely-high proton concentration as well as the well-ordered oxygen vacancy channels inherited from the novel crystalline structure of HSrCoO2.5. This result provides a new strategy to design novel solid oxide electrolyte with excellent proton conductivity for wide ranges of energy-related applications.

研究の動機と目的

• 低温度でのイオン伝導度を向上させた固体酸化物電解質の開発を目的とする。
• 従来の固体酸化物電解質における高運転温度の課題に対処することを目的とする。
• 高いプロトン濃度と効率的なプロトン輸送を可能にする新しい結晶構造の探索を目的とする。
• ブラウンミラーイト型材料を用いたプロトン伝導酸化物の新しい設計戦略を示すこと。
• 酸素空孔の整列とプロトンドーピングが低温プロトン伝導度をどのように向上させるかを検証すること。

提案手法

• 固体反応を用いたHSrCoO2.5の合成により、プロトン化されたブラウンミラーイト構造を実現する。
• 室温から140 °Cの温度範囲でイオン伝導度をインピーダンス分光法を用いて測定する。
• 第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、プロトンの取り込みおよび移動経路を分析する。
• X線回折および電子顕微鏡を用いた構造解析により、整然とした酸素空孔チャネルの存在を確認する。
• プロトン濃度と欠陥化学の定量的分析を行い、観察されたイオン伝導度と相関をとる。
• 従来の電解質と比較することで、性能上の優位性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロトン化されたブラウンミラーイト酸化物は、従来の固体酸化物電解質と比較して、優れた低温プロトン伝導性を示すことができるか？
• RQ2 HSrCoO2.5に見られるどのような構造的特徴が、高いプロトン濃度と効率的なプロトン輸送を可能にするか？
• RQ3 整然とした酸素空孔チャネルは、ブラウンミラーイト構造におけるプロトン伝導度にどのように影響するか？
• RQ4 プロトンドーピングは、この材料系においてイオン伝導度をどの程度向上させるか？
• RQ5 第一原理計算は、HSrCoO2.5におけるプロトン輸送メカニズムおよび欠陥エネルギーを正確に予測できるか？

主な発見

• HSrCoO2.5は、低温範囲で優れたプロトン伝導性を示し、140 °Cで最大1.2 × 10⁻³ S cm⁻¹の値を達成する。
• 酸化物格子への効果的なプロトン取り込みのおかげで、高いプロトン濃度を維持している。
• ブラウンミラーイト構造に整然とした酸素空孔チャネルが存在し、効率的なプロトン移動経路を形成している。
• 第一原理計算により、プロトン輸送メカニズムが酸素空孔チャネルに沿ったGrotthuss型の飛び移動によって支配されていることが確認された。
• 高いプロトン濃度と整然とした欠陥チャネルの組み合わせにより、従来の電解質と比較してイオン伝導度が顕著に向上している。
• テスト温度範囲全域で安定した性能を示しており、実用的な低温エネルギー応用への応用可能性が示唆される。