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令和５年３月１６日

九州大学
山形大学
あいちシンクロトロン光センター
九州シンクロトロン光研究センター
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

高性能電解質材料におけるプロトン導入反応の活性サイトを世界初解明

～中温で動作する固体酸化物形燃料電池の開発を加速～

ポイント

九州大学 エネルギー研究教育機構（Ｑ－ＰＩＴ）および大学院 工学府 材料物性工学専攻の星野 健太 博士（研究当時）、兵頭 潤次 特任助教、山本 健太郎 特任助教（研究当時）、山崎 仁丈 教授の研究グループと山形大学 学術研究院の笠松 秀輔 准教授は、九州シンクロトロン光研究センターの瀬戸山 寛之 博士およびあいちシンクロトロン光センターの岡島 敏浩 副所長らと共同で、４００度動作固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の電解質として期待されているプロトン（Ｈ＋）伝導性酸化物において、プロトン導入反応が起きる局所構造（活性サイト）を明らかにしました。これは、実験とデータ科学、計算科学を融合することにより、世界で初めて得られた研究成果です。本研究で得た知見を基に、局所構造の最適化を基盤とした新たな材料設計戦略を立てることで、プロトン伝導性電解質や中温動作固体酸化物形燃料電池の開発が大幅に加速されることが期待されます。

アクセプター置換したペロブスカイト酸化物は、水蒸気を取り込み材料中にプロトンを導入することで、高いプロトン伝導性を示すことが知られています。水和反応はプロトン伝導発現の起源となる反応であるため、水和反応を活性化する局所構造の同定は、１９８１年にプロトン伝導体が発見されてからこれまで数々の研究者が挑戦してきた難問ですが、局所構造を実験的にプローブできるＸ線吸収分光法や固体核磁気共鳴法（ＮＭＲ）の適用が室温環境に限定されていたため、今日まで未解明のままでした。

本研究グループは、ペロブスカイト酸化物の中でも既報の中で最高レベルのプロトン伝導性と化学的安定性を兼ね備えたＳｃ置換ジルコン酸バリウムに着目し、放射光を用いたその場水和実験、スーパーコンピューターと機械学習を活用した大規模シミュレーションおよび精密熱重量分析を組み合わせることにより、水和反応を活性化する材料中の局所構造を多角的に調査しました。その結果、スカンジウム（Ｓｃ）とジルコニウム（Ｚｒ）および２つのＳｃに挟まれた酸素欠損欠陥が水和反応の局所活性サイトであることを特定し、その温度依存性を明らかにすることに成功しました。

本研究成果は、２０２３年３月１４日（現地時間）に米国化学会の国際学術誌「Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」のオンライン速報版で公開されました。

本研究は、ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴ（ＪＰＭＪＣＲ１８Ｊ３）、ＪＳＴ 創発的研究支援事業（ＪＰＭＪＦＲ２０３７）、科学研究費補助金（ＪＰ１５Ｈ０２２８７、ＪＰ１８Ｈ０１６９４、ＪＰ１９Ｋ１５２８７）および九州大学 エネルギー研究機構モジュール研究プログラムの支援を受けました。

＜プレスリリース資料＞

＜論文タイトル＞

“Probing Local Environments of Oxygen Vacancies Responsible for Hydration in Sc-doped Barium Zirconates at Elevated Temperatures: In Situ X-ray Absorption Spectroscopy, Thermogravimetry, and Active Learning Ab Initio Replica Exchange Monte Carlo Simulations”
ＤＯＩ：10.1021/acs.chemmater.2c02116

＜お問い合わせ先＞

（英文）“Probe where the protons go to develop better fuel cells”

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