东京工业大学理学院的齐藤馨（研究生）和八岛正知教授发表研究结果称，利用与传统截然不同的材料设计策略，发现了一种在中低温域显示出世界最高质子传导性的新物质，进一步通过晶体结构分析和理论计算阐明了该新物质高质子传导性的主要原因。研究人员采用对具有三维无序本征氧空位的钙钛矿进行施主掺杂（软性掺杂，donor Doping）这种与传统策略截然不同的材料设计策略，发现了在中低温域显示出高质子传导性的新物质BaSc₀.₈Mo₀.₂O₂.₈。研究发现，产生高质子传导性的主要原因是质子包裹减少导致的低活化能。这一发现有望推动低温域高性能的质子传导性燃料电池的开发。相关研究成果已于11月17日发表在国际学术期刊《Nature Communications》上。
图1.（a）BaSc₀.₈Mo₀.₂O₂.₈与典型质子导体进行得质子传导性比较。（b)诺比间隙（Norby gap）与高质子导体的质子传导性。（供图：©K. Saito and M. Yashima、东京工业大学）
质子导体是指表现出质子（H+）传导性的物质，有望成为应用于质子传导性燃料电池（PCFC：质子陶瓷膜燃料电池）以及氢泵、氢传感器等电化学装置的清洁能源材料。
为了实现高质子传导性，必须使用受主掺杂（acceptor doping；掺杂比主体化合物中阳离子价数更低的阳离子）在晶体结构中引入氧空位。然而，在中低温域，有一个不存在高质子传导性物质的空白区域（诺比间隙（Norby gap）），这是因为产生了氧空位捕获质子的质子俘获现象。
本次研究，聚焦于具有无序本征氧空位的母物质——立方钙钛矿型BaScO₂.₅，通过固相反应法，合成了立方钙钛矿型的BaSc₀.₈Mo₀.₂O₂.₈。
研究人员测量电导率时发现，H₂O气流中和D₂O气流中的电导率之比接近于基于经典理论计算出的同位素效应理想值1.41，化学和电学上的稳定性也很高。
这种物质所显示出的体积电导率也为世界最高水平。为了调查该物质具备高体质子电导率的主要原因，研究人员进行了里特沃尔德解析（Rietveld analysis）和热重量分析，结果显示，从结构分析得到的质子浓度和从热重量分析得到的质子浓度非常吻合，表明水被吸附到了体积中。
此外，这种物质的扩散系数也比其他质子导体高，这是具备高体质子电导率的主要原因之一，而且随着Se浓度的增加，扩散系数也会增加。
其次，这种物质的活化能比经过受主掺杂的质子导体低，这证实了质子俘获被减少的事实。低活化能是在低温域内产生高质子传导性的原因之一。
使用这类物质的燃料电池一旦投入实用，制造工艺中将不再需要昂贵的铂，并且无需耐热材料，有望大幅降低燃料电池的制造成本。
八岛教授表示：“通过探索氧空位数量丰富的新物质，我们发现了一种兼具高质子传导性和高稳定性的划时代新材料。然而，要在一流期刊上基于强有力的证据论证新材料得设计理念，就需要对①样品的合成、②各种电化学测试、③精确的晶体结构分析、④第一性原理计算等方面综合性的展开多种实验、分析和计算。本研究是研究生齐藤馨同学辛勤努力完成的。我们认为如果利用这种兼具高质子传导性和高稳定性的划时代新材料，应当能够开发出超高效率的燃料电池，从而解决能源和环境问题”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature Communications
论文：High Proton Conductivity within the ‘Norby gap’ by Stabilizing a Perovskite with Disordered Intrinsic Oxygen Vacancies
DOI：10.1038/s41467-023-43122-4
