東京工業大學理學院化學系的八島正知教授、上野那智碩士生（研究當時）、矢口寬博士生（研究當時，現就職於日本理化學研究所）、藤井孝太郎助教組成的研究團隊發表研究成果稱，發現了一組超越已知材料、具有極高的氧化物離子傳導率和高穩定性的氧鹵化物(含氧氯化物）新物質羣，這些物質的氧化物離子傳導性比以往材料低200℃以上。該成果有望推動包括固態氧化物燃料電池在内的各種新材料的開發。相關研究成果已於4月9日發表在國際學術期刊《Journal of the American Chemical Society》電子版上。
圖1.（a）本研究發現的Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl在比傳統材料YSZ低213℃的溫度下表現出了10mS/cm的高氧化物離子傳導率。透過（b）實驗和（c）理論計算，研究團隊明確了氧化物離子在三重螢石相似層中的準晶格間擴散機制，這也是氧化物離子傳導率較高的終極因數。（著作權所有：©論文作者等（2024））
氧化物離子導體是一種氧化物離子（O2-）的傳導物質，此類物質在固態氧化物燃料電池（SOFCs）和氧氣分離膜等領域具有廣泛應用前景，因此備受期待。目前的SOFCs中使用的釔穩定氧化鋯電解質的工作溫度很高（700～1000℃），這不僅導致製造成本高昂，而且電池在高溫下易發生劣化。因此，迫切需要一種在中溫（400～500℃）下仍能表現出高傳導性能的氧化物離子導體。
本次研究中，研究團隊成功合成了一種新型氧鹵化物「Bi2-xTexLuO4+x/2Cl（x＝0.1、0.2）」。這種氧鹵化物離子導體由鉍、碲、鑥、氧、氯等元素組。其中，當x＝0.1時生成的「Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl」顯示出最高的離子傳導率。
這種新型氧化物離子導體可在遠低於既往實用材料運行溫度（644℃）的溫度（431℃）下，表現出10mS/cm的符合燃料電池領域實用化標準的氧化物離子電導率。此外，研究還證實，在10-4～10-18個大氣壓力的氧分壓範圍内，這種物質的傳導率保持恆定，具有不會發生降低發電效率的電子傳導現象且性質極爲穩定的體徵。
研究還揭示了這種物質具有高氧化物離子傳導率的終極因數——氧化物離子以晶格間氧位點和晶格氧位點爲媒介，透過準晶格間機制在類三重螢石層中進行二維擴散。
研究人員認爲，透過在低於500℃的中溫下實施物質的高離子導電和高穩定性，有望推動在中溫下運行的固態氧化物燃料電池等成本較低的高性能電化學器件的開發。
八島教授表示：「上野那智在攻讀碩士學位期間經過艱苦努力，透過分析交流電阻抗資料的等效電路，計算出了可信的傳導率，並實驗證實了該物質具有較高的氧化物離子傳導率。此外，在晶體結構分析方面，確定晶格間氧的位置也非常困難，但我們最終闡明瞭可信的晶格間氧位置和離子傳導機制。透過這項研究，我們發現了一種兼具高氧化物離子傳導性和高穩定性的新材料，未來，與這一發現相關的材料研究預計將更加活躍，從而開發出低運行溫度的高性能燃料電池。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Journal of the American Chemical Society
論文：High Conductivity and Diffusion Mechanism of Oxide Ions in Triple Fluorite-like Layers of Oxyhalides
DOI：10.1021/jacs.4c00265
