プロトンと電子の両方が高速に伝導する酸化物を発見 ー中温域で動作する低コストな電気化学リアクターや水素透過膜への応用に期待ー

プロトンと電子の両方が高速に伝導する酸化物を発見ー中温域で動作する低コストな電気化学リアクターや水素透過膜への応用に期待ー

2025年8月20日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　助教　山﨑智之
多元物质科学研究所　教授　小俣孝久

【発表のポイント】

ニオブ（Nb）をドープしたルチル型酸化チタン（TiO₂）が、200～300℃の中温域でプロトン（H⁺）と电子（e^-）のいずれもが高速で伝导する、优れた混合伝导体^（注¹^）であることを発见しました。
TiO₂へのNbのドープには、电子キャリア密度の増大による电子伝导度の向上だけでなく、プロトンキャリア密度^（注²^）と、拡散係数⁽^注3)の増大によりプロトン伝导度^（注⁴^）を向上する作用があることを実証しました。
中温域で作动する次世代型の燃料电池などの水素の関わる反応の电気化学リアクター^（注⁵^）の电极材料および水素透过膜への応用が期待されます。

【概要】

プロトン（H⁺）と高い电子（e^?）の両方が电荷担体（キャリア）となる混合伝导体は、500℃以上の高温域で动作する燃料电池や水电解素子など、水素が関わる反応を利用した电気化学リアクターの电极や、水素透过膜などとして使われます。近年それらのデバイスは、耐用年数の延伸や反応の促进に必要な触媒にかかるコスト低减、反応の选択性向上などの観点から、従来の燃料电池が稼働する500℃以上の高温域に対して200～500℃の中温域での动作が望まれており、その実现に向けた要素材料の开発が进められています。

东北大学多元物质科学研究所の山﨑智之助教と小俣孝久教授らの研究グループは、Nbをドープした酸化チタン（Nb-TiO₂）が、200～300℃で高いプロトン伝導性と高い電子伝導性を併せ持つ、優れた混合伝導体であることを発见しました。この成果は、中温域で動作する燃料電池をはじめとする様々な電気化学リアクターの電極材料を提供するとともに、プロトンをキャリアとする混合伝導体や電解質^（注⁶^）の设计に新たな指针を提供します。

本研究の成果は米国現地時間の2025年8月18日、米国化学会の学術誌Journal of the American Chemical Societyにてオンライン掲載されました。

図1. Nb-TiO₂中のプロトン－电子混合伝导と电子ブロッキング法によるプロトン伝导度测定法の模式図

【用语解説】

注1. 混合伝導体：2種類以上の電荷キャリアが伝導する物質のこと。

注2. プロトンキャリア密度：物質中を移動する電荷キャリアの単位体積当たりの数を表す。キャリア密度が大きいほど電気伝導度は大きい。

注3. 拡散係数：物質中での一つ一つのキャリアの移動のしやすさを表す指標。拡散係数が大きいほどより高速にキャリアが移動でき、電気伝導度は大きくなる。

注4. プロトン伝導度：H+の伝導による電気伝導度。

注5. 電気化学リアクター：化学エネルギーと電気エネルギーの相互変換を行う素子の総称。例えば、燃料電池は酸素と水素の反応から電気エネルギーを取り出す素子、水電解素子は水を電気分解して水素を生成する素子。

注6. 電解質：イオンのみが電荷キャリアとして伝導する材料。これに対して電極にはイオンと電子の両方が伝導する混合伝導性が求められる。

【论文情报】

タイトル：Enhanced Proton Transport in Nb-Doped Rutile TiO?: A Highly Useful Class of Proton-Conducting Mixed Ionic Electronic Conductors
著者：Takuma Shiraiwa, Tomoyuki Yamasaki*, Kizuku Kushimoto, Junya Kano, and Takahisa Omata*
*责任着者：东北大学多元物质科学研究所　助教　山﨑智之、教授　小俣孝久
掲載誌：Journal of the American Chemical Society
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