課題番号 ：S-19-MS-0033
利用形態 ：協力研究（ナノプラット）＜前期＞
利用課題名（日本語） ：中温域で作動するプロトン導電体の開発
Program Title (English) ：Synthesis of proton conductors working on the intermediate temperature
利用者名（日本語） ：松田　泰明
Username (English) ：Yasuaki Matsuda
所属名（日本語） ：大阪工業大学工学部応用化学科
Affiliation (English) ：Osaka Institute of Technology

１．概要（Summary ）
プロトンの拡散は、生物の代謝や燃料電池などのエネルギーデバイスに関わる基礎的な現象である。無機系プロトン導電体は、その優れた耐熱性と化学的安定性から、燃料電池の作動温度域の選択性を拡大出来る可能性を秘める。しかし、固体中での水素結合の制御の困難さから、そのポテンシャルを十分に発現できる物質が未だ見出されていない。
この課題の解決のため、我々は、プロトンとの親和性の高いPO4四面体を連結させる手法で、共有結合とイオン結合から形成される強固な骨格中にプロトンの高速拡散経路を構築し、ミトコンドリアのプロトンチャネルと類似した構造をもつプロトン導電体RbMg1-xH2x(PO3)3·yH2Oを開発した[1]。この物質は、室温から300 ºCの広い温度域で10-3¬¬ Scm-1を超える高プロトン導電特性を発現するが、脱水を伴う不可逆な相転移がその作動温度域を制約している。そこで、本研究では、この物質の構成元素を置換する手法で骨格を安定化させ、より高温域での作動温度の拡大を目指した。RbMg1-xH2x(PO3)3·yH2OのRbをKに､MgをNiに置換した系で500ºC以上でも安定な新規プロトン導電体を開発した。

２．実験（Experimental）
試料合成は共沈法で行った。所定のモル比で秤量したアルカリ金属またはアルカリ土類金属の炭酸塩を0.5 mol/Lリン酸水溶液30 mLに溶解させたのち、大気中、120ºCで12 – 36 h乾燥した。得られた前駆体を大気中で400ºC, 12 h焼成し、目的物質を得た。合成した試料についてX線回折測定、TG/DTA測定、交流インピーダンス測定を行った。

３．結果と考察（Results and Discussion）
本焼成後の粉末X線回折測定では，x = 0 – 0.18の全ての組成において, 空間群R3のトンネル型構造に帰属される反射のみが観測され, 目的物質の生成が確認された. この物質は、合成したいずれの組成においても500ºC までトンネル型構造を維持した。この物質のプロトン導電率は , x の増加と共に増加し, x = 0.18の組成で , 150ºC において 10-3 Scm-1を超える導電率を示した .

４．その他・特記事項（Others）
参考文献
[1] Y. Matsuda, et al., J. Mater. Chem. A, 1, 15544 (2013).
５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
(1) Y. Matsuda, K. Funakoshi, R. Sebe, G. Kobayashi, M. Yonemura, N. Imanishi, D. Mori and S. Higashimoto, RSC Adv. 10 (2020) 7803.
(2) Y. Matsuda, K. Funakoshi, R. Sebe, G. Kobayashi, M. Yonemura, N. Imanishi, D. Mori, S. Higashimoto, 22nd International Conference on Solid State Ionics (SSI-22) 2019/6.
(3) Y. Matsuda, K. Funakoshi, R. Sebe, G. Kobayashi, M. Yonemura, N. Imanishi, D. Mori, S. Higashimoto, The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13), 2019/10.
(4) 松田泰明，船越康生，森大輔，今西誠之，小林玄器，米村雅雄，東本慎也，第45回固体イオニクス討論会，2019/11.
(5) 松田泰明，船越康生，森大輔，今西誠之，小林玄器，米村雅雄，東本慎也、粉体粉末冶金2019年度春季大会、2019/6.
(6) 松田 泰明、井上 雄太、森 大輔、今西 誠之、東本 慎也, 電気化学会第87大会、2020/3.
６．関連特許（Patent）：なし.