東京工業大學理學院化學系的村上泰斗特任助教（研究當時，現爲東北大學研究生院工學研究科助教）與該校理學院的八島正知教授和高純度化學研究所的柴田稔也研究員等人組成的研究團隊，透過與「澳大利亞核科學和技術組織」的海斯特·詹姆斯博士進行聯合研究，發現了具有高氧化物離子電導率、且不含稀土元素的新物質Ba7Ta3.7Mo1.3O20.15（由鋇、鉭、鉬、氧構成的氧化物，六方鈣鈦礦相關氧化物之一）。
圖（a）新型氧化物離子導體Ba7Ta3.7Mo1.3O20.15的體電導率σb。縱軸爲對數logσb，橫軸爲絕對溫度T的倒數1000/T。（b）總電導率σtot對氧分壓P（O2）的依賴性。縱軸爲對數logσtot，橫軸爲氧分壓P（O2）的對數log（P（O2））。（c）Ba7Ta3.7Mo1.3O20.15在26℃時的晶體結構。（圖片著作權屬於Wiley-VCH和東京工業大學研究團隊）
研究團隊此前發現了具有高氧化物離子電導率的物質Ba7Nb4MoO20固溶體，並與高純度化學研究所共同開發了以高複製性低成本簡單合成這種材料的方法。然而，該材料的缺點是，對高氧化物離子傳導非常重要的間隙氧量不足，在強還原氣氛中會發生電子傳導，而且Nb原子和Mo原子在晶體結構中佔據的位點不明確，阻礙了對傳導機制的理解。
與Nb相比，Ta的氧化物不容易被還原，因此研究團隊認爲，使用Ta的話也許可以開發出優異的新物質，所以推進了研究。另外，不同於Nb，Ta的電子數與Mo的電子數不同，所以X射線散射能力也不同。因此有望獨立確定Ta原子和Mo原子的位置，於是研究團隊透過同步輻射X射線繞射進行了結構分析。
由此合成了將Ba7Nb4MoO20的部分Ta置換爲Mo的Ba7Ta3.7Mo1.3O20.15。研究發現，這種物質擁有與Ba7Nb4MoO20相同的晶體結構（7H六方鈣鈦礦多晶型）。另外，還合成幾種Mo過量的材料，並在高溫、氧化～還原氣氛中測量電導率發現，新物質在高溫下擁有比常規材料更高的電導率和抗還原性。
透過精確同步輻射X射線繞射資料在Rietveld分析中的位置佔有率，並結合鍵價總和及第一性原理計算，首次證明Mo局部存在於晶體結構中的氧化物離子傳導層附近。這是調查高氧化物離子電導率的結構因素的關鍵。
八島教授表示：「在研究中明確的過渡金屬的位點選擇性（Mo局部存在於氧化物離子傳導層附近）指明瞭氧化物離子導體的新設計指南，預計可以根據這個指南發現很多新物質。新物質兼具高導電性和穩定性，因此作爲燃料電池的固態電解質、氣體感測器和氧分離膜材料非常有吸引力，但在作爲材料使用之前，還需要克服許多障礙，希望能有很多企業對此感興趣並推進聯合研究，以實施商品化。」
【詞注】
氧化物離子導體：施加外部電場時傳導氧化物離子的物質，也稱爲氧離子導體。除純氧化物離子導體外，還有氧化物離子-電子混合導體等。
論文資訊
發表期刊 :Small （Wiley）
論文題目 : High Oxide-ion Conductivity in a Hexagonal Perovskite-related Oxide a7Ta3.7Mo1.3O20.15 with Cation Site Preference and Interstitial Oxide Ions
作者 : Taito Murakami, Toshiya Shibata, Yuta Yasui, Kotaro Fujii, James R. Hester, and Masatomo Yashima
DOI : 10.1002/smll.202106785
URL: onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202106785
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
