日本東京工業大學理學院化學系的村上泰斗特任助教和八島正知教授等人組成的研究團隊，發現了在中低溫區域表現出全球最高水平的質子（H+，氫離子）傳導率的新材料Ba5Er2Al2ZrO13。該研究團隊還與澳大利亞核科學技術組織（ANSTO）的海斯特·詹姆斯（Hester James）博士共同實施了中子繞射測量和晶體結構解析，明確了這種新材料具有的高質子傳導率的物理可用能機制。
此次發現的新型質子導體無需進行化學置換即表現出很高的質子傳導率，因此不存在以往的材料穩定性和均勻度問題，有望作爲新型質子導體及其設計方法應用於廣泛的領域。
背景
質子導體作爲廣泛應用於氫泵、氫感測器和燃料電池等領域的清潔能源材料備受期待。尤其是將質子導體作爲燃料電池的電解質材料使用時，與採用常規的氧化物離子導體的燃料電池相比，有望實施器件的低溫工作。
因此，需要使用能在中低溫區域（300～600°C）表現出高質子傳導率的材料，但現有材料的晶體結構僅限於褐釔鈮礦型結構和ABO3鈣鈦礦型結構等。而且，這些現有材料的基礎物質的傳導率比較低，要想實施高傳導率，就要進行化學置換和摻雜，材料的穩定性和均勻度存在問題。
六方鈣鈦礦相關氧化物是廣義上的鈣鈦礦之一，已知這種物質具有不同的晶體結構及物理可用能和化學特性。有研究顯示，立方鈣鈦礦型氧化物中有很多在中低溫區域表現出高質子傳導率的材料，而六方鈣鈦礦相關氧化物幾乎沒有被作爲質子導體研究過。
研究成果
現有的質子導體大多透過用低價陽離子化學置換晶格中的部分陽離子來導入氧空艙，質子導體與水氣H2O發生反應後，H2O中的O進入氧空艙，同時質子被質子導體吸收，由此表現出質子傳導性。
另一方面，研究表明，此次發現的新材料由於晶體中的h′層本來就存在氧空艙，因此無需進行化學置換就表現出高質子傳導率（圖1）。此外，晶體結構解析和熱重測量也表明質子實際存在於h′層，而且負責導電。
圖1：（a）新型質子導體Ba5Er2Al2ZrO13的晶體結構。（b）Ba5Er2Al2ZrO13與各種原子導體的質子傳導率比較（©American Chemical Society, 八島正知、村上泰斗）
未來展望
此次發現的Ba5Er2Al2ZrO13在中低溫區域的質子傳導率是立方鈣鈦礦型氧化物以外的物質組中最高的，這表明六方鈣鈦礦相關氧化物作爲質子導體的新結構族具有很高的潛力。已知六方鈣鈦礦相關氧化物中有很多像Ba5Er2Al2ZrO13那樣在結構中有h′層的物質，這些物質也可能具有高質子傳導率。
此次研究爲質子導體提供了新的設計指南，預計今後還會發現很多新的質子導體，還有望開發將Ba5Er2Al2ZrO13應用於燃料電池和感測器等的材料。
論文資訊
題目：High Proton Conductivity in Ba5Er2Al2ZrO13, a Hexagonal Perovskite-Related Oxide with Intrinsically Oxygen-Deficient Layers
期刊：《Journal of the American Chemical Society》
DOI：10.1021/jacs.0c02403
文：JST客觀日本編輯部
