東京工業大學理學院的齊藤馨（研究生）和八島正知教授發表研究結果稱，利用與傳統截然不同的材料設計策略，發現了一種在中低溫域顯示出世界最高質子傳導性的新物質，進一步通過晶體結構分析和理論計算闡明了該新物質高質子傳導性的主要原因。研究人員采用對具有三維無序本征氧空位的鈣鈦礦進行施主摻雜（軟性摻雜，donor Doping）這種與傳統策略截然不同的材料設計策略，發現了在中低溫域顯示出高質子傳導性的新物質BaSc?.?Mo?.?O?.?。研究發現，產生高質子傳導性的主要原因是質子包裹減少導致的低活化能。這一發現有望推動低溫域高性能的質子傳導性燃料電池的開發。相關研究成果已于11月17日發表在國際學術期刊《Nature Communications》上。
圖1.（a）BaSc?.?Mo?.?O?.?與典型質子導體進行得質子傳導性比較。（b)諾比間隙（Norby gap）與高質子導體的質子傳導性。（供圖：?K. Saito and M. Yashima、東京工業大學）
質子導體是指表現出質子（H+）傳導性的物質，有望成為應用于質子傳導性燃料電池（PCFC：質子陶瓷膜燃料電池）以及氫泵、氫傳感器等電化學裝置的清潔能源材料。
為了實現高質子傳導性，必須使用受主摻雜（acceptor doping；摻雜比主體化合物中陽離子價數更低的陽離子）在晶體結構中引入氧空位。然而，在中低溫域，有一個不存在高質子傳導性物質的空白區域（諾比間隙（Norby gap）），這是因為產生了氧空位捕獲質子的質子俘獲現象。
本次研究，聚焦于具有無序本征氧空位的母物質——立方鈣鈦礦型BaScO?.?，通過固相反應法，合成了立方鈣鈦礦型的BaSc?.?Mo?.?O?.?。
研究人員測量電導率時發現，H?O氣流中和D?O氣流中的電導率之比接近于基于經典理論計算出的同位素效應理想值1.41，化學和電學上的穩定性也很高。
這種物質所顯示出的體積電導率也為世界最高水平。為了調查該物質具備高體質子電導率的主要原因，研究人員進行了里特沃爾德解析（Rietveld analysis）和熱重量分析，結果顯示，從結構分析得到的質子濃度和從熱重量分析得到的質子濃度非常吻合，表明水被吸附到了體積中。
此外，這種物質的擴散系數也比其他質子導體高，這是具備高體質子電導率的主要原因之一，而且隨著Se濃度的增加，擴散系數也會增加。
其次，這種物質的活化能比經過受主摻雜的質子導體低，這證實了質子俘獲被減少的事實。低活化能是在低溫域內產生高質子傳導性的原因之一。
使用這類物質的燃料電池一旦投入實用，制造工藝中將不再需要昂貴的鉑，并且無需耐熱材料，有望大幅降低燃料電池的制造成本。
八島教授表示：“通過探索氧空位數量豐富的新物質，我們發現了一種兼具高質子傳導性和高穩定性的劃時代新材料。然而，要在一流期刊上基于強有力的證據論證新材料得設計理念，就需要對①樣品的合成、②各種電化學測試、③精確的晶體結構分析、④第一性原理計算等方面綜合性的展開多種實驗、分析和計算。本研究是研究生齊藤馨同學辛勤努力完成的。我們認為如果利用這種兼具高質子傳導性和高穩定性的劃時代新材料，應當能夠開發出超高效率的燃料電池，從而解決能源和環境問題”。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文信息】
雜志：Nature Communications
論文：High Proton Conductivity within the ‘Norby gap’ by Stabilizing a Perovskite with Disordered Intrinsic Oxygen Vacancies
DOI：10.1038/s41467-023-43122-4
