九州大学,大阪大学,ファインセラミックスセンター,科学技術振興機構（ＪＳＴ）

令和５年９月１３日

九州大学
大阪大学
ファインセラミックスセンター
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

非従来型プロトン伝導体の効率的探索手法を世界で初めて開発・実証

～計算・データ科学・実験の有機的融合による新たな材料設計指針～

ポイント

九州大学 エネルギー研究教育機構（Ｑ－ＰＩＴ）、稲盛フロンティア研究センターおよび大学院工学府 材料物性工学専攻 修士課程の清水 雄太 氏、兵頭 潤次 特任助教、山崎 仁丈 教授の研究グループは、大阪大学 大学院工学研究科 マテリアル生産科学専攻の藤井 進 助教、ファインセラミックスセンター ナノ構造研究所の桑原 彰秀 主席研究員と共同で、計算とデータ科学を用いてプロトン伝導性酸化物の設計指針を構築し、たった一度の実験で非従来型プロトン伝導性酸化物を複数合成することに成功しました。この材料設計指針を用いることで、プロトン伝導性酸化物やそれを利用した固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の開発が大幅に進展することが見込まれます。また、構築した探索手法を他材料へと応用することで、革新的材料開発がさまざまな分野で加速されることが期待されます。

プロトン伝導性酸化物を利用したＳＯＦＣの開発は、水素社会実現のための重要な課題の１つです。既知のプロトン伝導性酸化物の多くはペロブスカイト型の結晶構造を有しており、その他の結晶構造を持つ化合物はあまり探索されてきませんでした。その理由の１つは、材料中に水蒸気（プロトン）を取り込むために必要なアクセプター元素（ドーパント）の組み合わせが膨大な数になるためです。材料探索に共通する課題ですが、無数の候補から一握りの有望な材料を抽出することはこれまで困難でした。

本研究グループは、ハイスループットな材料科学シミュレーションと物理解釈可能な機械学習モデルを用いることによって、ベースの化合物とドーパントの組み合わせを適切に選択し、材料中にプロトンを導入するための材料設計指針を提案しました。この設計指針に基づき、Ｐｂ添加Ｂｉ１２ＳｉＯ２０およびＳｒ添加Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２を選択したところ、それぞれたった一度の試行で合成することに成功し、どちらも新規プロトン伝導性酸化物であることを実験的に証明しました。特に前者は、シレナイト型構造を持つ化合物としても、１４および１５族の陽イオンのみから構成される化合物としても、世界で初めてのプロトン伝導性酸化物です。プロトン伝導体探索において新たなフロンティアを切り開いたと言えます。

本研究成果は、日本時間２０２３年９月１２日（火）にＪｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓの国際学術誌「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」でオンライン公開されました。

本研究は、ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴ（ＪＰＭＪＣＲ１８Ｊ３）、科学研究費補助金（ＪＰ１９Ｈ０５７８６、ＪＰ２２Ｈ０４９１４、ＪＰ２２Ｈ０５１４６）、東京大学 物性研究所 スーパーコンピュータ共同利用、富岳成果創出加速プログラム（電池課題、物理化学課題）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＞

“Discovery of Unconventional Proton-Conducting Inorganic Solids via Defect-Chemistry-Trained Interpretable Machine Learning”
ＤＯＩ：10.1002/aenm.202301892

＜お問い合わせ先＞

（英文）“World’s First Development and Demonstration of Efficient Search Method for Unconventional Proton Conductors”

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