新发现 | 世界最高等级的新型电解质材料
新发现 | 世界最高等级的新型电解质材料
加速燃料电池、传感器、电子材料的开发
●通过新设计方法，发现了世界首个Dion-Jacobson相（层状钙钛矿的一种）氧离子传导体，实现世界最高等级的氧离子传导率。●通过分析晶体结构和离子扩散路径，探明了高氧离子传导率的原因。
●有望促进创新型燃料电池、氧分离膜、催化剂、传感器、电子材料等的开发，为能源和环境领域做出贡献。
东京工业大学理学院化学系的八岛正知教授和张文锐研究生（3年级博士生）等人的研究组发现了首个Dion-Jacobson氧化物离子传导体（也称为氧离子传导体、或O2-传导体）CsBi2Ti2NbO10-δ，并通过探明氧化物离子传导率（也称为氧离子传导率）在高温下变高的晶体结构、氧化物离子的扩散路径，明确了该新型氧化物离子传导体的高离子传导率的机理。
已知该新型离子传导体在高温且较广泛的氧分压范围内比较稳定。通过筛选晶体结构数据库中的83个数据、导入“加大阳离子Cs+的尺寸和提高由Bi3+的位移引起的离子传导率”这一新概念，发现了该新材料。通过这一新设计方法发现了高传导率离子传导体，有望促进固体氧化物型燃料电池和氧气浓缩器的性能改善以及新型氧化物离子传导体和电子材料的开发。
另外，本研究是与高能加速器研究机构（KEK）物质结构科学研究所的J-PARC中心的神山崇教授等共同进行的一项研究。在CsBi2Ti2NbO10−δ的晶体结构分析中，使用了设置于J-PARC的超高分辨率中子粉末衍射装置SuperHRPD、以及设置于高亮度光科学研究中心SPring-8的放射光X射线衍射仪。
本研究成果在2020年3月6日以电子版的形式登载于英国科学杂志Nature Communications，并被选为推荐论文（Editors' Highlight）。另外，在2020年3月的日本陶瓷协会的年会上被选为主题演讲。
氧化物离子传导体[术语1]能够广泛地应用于固体氧化物型燃料电池[术语2]、氧分离膜、催化剂以及气体传感器等。高氧化物离子传导率仅在特定的晶体结构[术语3]中表现，因此，如果发现一种属于新型晶体结构群的高氧化物离子传导体，且该新型晶体结构群中迄今为止还没有相关氧化物离子导体的发现，则有望实现氧化物离子传导体的创新型应用。
根据现有相关文献中的记载，Dion-Jacobson相[术语4]是层状钙钛矿[术语4]的一种，具有各种电气特性、物理特性和化学特性，另外，钙钛矿[术语4]和层状钙钛矿具有大量的氧化物离子传导体，因此Dion-Jacobson相也有望显示出氧化物离子传导性，但是迄今为止，Dion-Jacobson相的氧化物离子传导体并不为人知。
该研究组本次发现了Dion-Jacobson相的首个氧化物离子（O2−）传导体CsBi2Ti2NbO10−δ（图1a）。其中，δ为缺氧量，定比组成CsBi2Ti2NbO10−δ的含氧量为10，而缺氧的CsBi2Ti2NbO10−δ的含氧量为10-δ。通过应用一种新型高传导率离子传导体的新设计方法（图1b），发现了该新型高氧化物离子传导体，其中，该方法引入了使用晶体结构数据库和键价法[术语5]的高速筛选、以及“加大Cs+的尺寸和提高由Bi3+的位移引起的离子传导率”这一新概念。另外，高离子传导率的原因是通过分析晶体结构显示出的氧原子的较大的各向异性热振动、氧空位[术语6]及氧化物离子传导层的存在（图1c）。
图1.（a）新型氧化物离子传导体CsBi2Ti2NbO10−δ（CBTN）的离子传导率（红线和红色■是在本研究中发现的氧化物离子传导体），实现了世界最高等级的氧化物离子传导率。
（b）在本研究中提出的新设计方法。
（c）通过氧化物离子传导率增高的高温区域中的CsBi2Ti2NbO10−δ的晶体结构和氧化物离子的扩散路径，明确了高离子传导率的机理。
（1）基于新设计方法的候选物质CsBi2Ti2NbO10−δ的选定
根据键价法，对无机晶体结构数据库（Inorganic Crystal Structure Database：ICSD）中登记的69种Dion-Jacobson相有关的83个晶体学数据进行筛选。与第一原理计算或者分子动力学计算相比，键价法能够高速地进行筛选。具体而言，针对各数据，计算基于晶胞中的键价的氧化物离子的能量图，并估算氧化物离子的移动的能量障壁Eb。根据其结果，选择了83个数据中Eb较低的Dion-Jacobson相CsBi2Ti2NbO10−δ作为候选材料（图2）。
作为该CsBi2Ti2NbO10−δ的构成成分的Cs+是可利用的元素种类中尺寸最大的阳离子。在CsBi2Ti2NbO10−< 