JP7155812B2 - Oxide ion conductor and electrochemical device - Google Patents
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Description
本発明は、酸化物イオン伝導体及び電気化学デバイスに関し、さらに詳しくは、AMX2O6構造(但し、Aは1価の金属元素、Mは3価の金属元素、Xは4価の金属元素)を備えた酸化物からなる新規な酸化物イオン伝導体、及びこれを用いた電気化学デバイスに関する。 The present invention relates to oxide ion conductors and electrochemical devices, and more particularly, to an AMX 2 O 6 structure (where A is a monovalent metal element, M is a trivalent metal element, X is a tetravalent metal element ), and an electrochemical device using the same.
「酸化物イオン伝導体」とは、酸化物イオン(O2-)が固体中を優先的に拡散する材料をいう。酸化物イオン伝導体は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、酸素ガスセンサ、電気化学反応を用いた排ガス浄化用素子などの電気化学デバイスの固体電解質として利用されている。現在、酸化物イオン伝導体として、Y2O3を8mol%程度添加したイットリア安定化ジルコニア(YSZ)が広く用いられている。 “Oxide ion conductor” refers to a material in which oxide ions (O 2− ) preferentially diffuse in a solid. Oxide ion conductors are used as solid electrolytes in electrochemical devices such as solid oxide fuel cells (SOFC), oxygen gas sensors, and elements for purifying exhaust gas using electrochemical reactions. At present, yttria-stabilized zirconia (YSZ) to which about 8 mol % of Y 2 O 3 is added is widely used as an oxide ion conductor.
YSZは、高温(700℃以上)で10-2S/cm以上の高い酸化物イオン伝導度を示し(非特許文献1)、1000℃付近の作動温度で使用されている。しかし、周辺部材の劣化抑制やエネルギー利用効率向上の観点から、電気化学デバイスの作動温度を低温化させることが求められている。特に、300℃から500℃の中温領域において、酸化物イオン伝導度の高い材料が求められている。 YSZ exhibits a high oxide ion conductivity of 10 -2 S/cm or higher at high temperatures (700°C or higher) (Non-Patent Document 1), and is used at operating temperatures around 1000°C. However, from the viewpoint of suppressing deterioration of peripheral members and improving energy utilization efficiency, it is required to lower the operating temperature of the electrochemical device. In particular, in the medium temperature range of 300°C to 500°C, materials with high oxide ion conductivity are desired.
SOFCの低温作動化を可能にする電解質として、スカンジア(Sc2O3)安定化ジルコニア(ScSZ)の検討例がある。また、ランタンガレート(LaGaO3)系電解質は、強度的にはジルコニアよりもかなり劣るが、大幅な低温作動化が可能な電解質として、家庭用燃料電池で採用されている。さらに、セリア系電解質の使用も試みられている。しかし、YSZ以外の電解質は、強度、酸化還元耐性、価格などに問題があり、十分な成功を見ていない。 Scandia (Sc 2 O 3 )-stabilized zirconia (ScSZ) has been investigated as an electrolyte that enables low-temperature operation of SOFCs. Lanthanum gallate (LaGaO 3 )-based electrolytes are considerably inferior to zirconia in terms of strength, but are used in household fuel cells as electrolytes capable of significantly operating at low temperatures. Furthermore, the use of ceria-based electrolytes has also been attempted. However, electrolytes other than YSZ have problems in strength, oxidation-reduction resistance, price, etc., and have not been sufficiently successful.
本発明が解決しようとする課題は、低温において作動させることが可能な、新規な酸化物イオン伝導体を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このような酸化物イオン伝導体を用いた電気化学デバイスを提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a novel oxide ion conductor that can be operated at low temperatures.
Another problem to be solved by the present invention is to provide an electrochemical device using such an oxide ion conductor.
上記課題を解決するために本発明に係る酸化物イオン伝導体は、
AMX2O6構造(但し、Aは1価の金属元素、Mは3価の金属元素、Xは4価の金属元素)を備えた酸化物からなり、
次の式(1)で表される組成を有するものからなる。
(A1-xBx)(M1-yCy)(X1-zDz)2O6±δ ・・・(1)
但し、
前記Aは、Li、Na、K、Rb、及びCsからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
前記Mは、Al、Ga、In、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、及びYからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
前記Xは、Ge、Si、及びSnからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
前記Bは、前記Aとは異なる元素であって、Li、Na、K、Rb、Cs、Cu、及びBaからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
前記Cは、前記Mとは異なる元素であって、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Al、Ga、In、Sc、Y、Ba、Sr、及びCaからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
前記Dは、前記Xとは異なる元素であって、Ge、Si、Al、Ga、及びSnからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
0≦x≦0.2、0≦y≦0.2、0≦z≦0.2、
δは、電気的中性が保たれる値。
In order to solve the above problems, the oxide ion conductor according to the present invention comprises:
An oxide having an AMX 2 O 6 structure (where A is a monovalent metal element, M is a trivalent metal element, and X is a tetravalent metal element),
It has a composition represented by the following formula (1).
(A1 - xBx )(M1 - yCy )(X1 -zDz ) 2O6 ±δ (1)
however,
A is any one or more elements selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, and Cs;
The M is any one selected from the group consisting of Al, Ga, In, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, and Y one or more elements,
X is any one or more elements selected from the group consisting of Ge, Si, and Sn;
The B is an element different from the A, and is any one or more elements selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, Cs, Cu, and Ba;
The C is an element different from the M, and includes La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Al, Ga, In, Sc, any one or more elements selected from the group consisting of Y, Ba, Sr, and Ca;
The D is an element different from the X and is any one or more elements selected from the group consisting of Ge, Si, Al, Ga, and Sn,
0≤x≤0.2, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.2,
δ is the value at which electroneutrality is maintained.
本発明に係る電気化学デバイスは、本発明に係る酸化物イオン伝導体を用いたことを要旨とする。 An electrochemical device according to the present invention uses the oxide ion conductor according to the present invention.
AMX2O6構造を持つ酸化物イオン伝導体は、400~700℃におけるイオン伝導度が相対的に高く、組成によってはYSZとほぼ同等のイオン伝導度を示す。そのため、これをSOFCなどの電気化学デバイスに適用することができる。また、周辺部材に使用される材料の選択の幅が広がる。そのため、電気化学デバイスの性能向上、低コスト化、耐久性の向上などが期待できる。 An oxide ion conductor having an AMX 2 O 6 structure has a relatively high ionic conductivity at 400 to 700° C., and depending on the composition, exhibits almost the same ionic conductivity as YSZ. Therefore, it can be applied to electrochemical devices such as SOFCs. In addition, the range of selection of materials used for peripheral members is widened. Therefore, improvement in performance, cost reduction, and durability improvement of electrochemical devices can be expected.
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 酸化物イオン伝導体]
本発明に係る酸化物イオン伝導体は、AMX2O6構造(但し、Aは1価の金属元素、Mは3価の金属元素、Xは4価の金属元素)を備えた酸化物からなる。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. oxide ion conductor]
The oxide ion conductor according to the present invention comprises an oxide having an AMX 2 O 6 structure (where A is a monovalent metal element, M is a trivalent metal element, and X is a tetravalent metal element). .
[1.1. 結晶構造]
図1に、AMX2O6構造を備えた酸化物の一種であるKEuGe2O6の結晶構造を示す。KEuGe2O6は、三員環(Ge3O9)6-を備えている。Ge4+は三員環を構成する[GeO4]四面体の中心に位置し、K+及びEu3+は三員環の間に位置する(参考文献1参照)。三員環は頂点にある酸素を介して連結しており、三員環を伝って酸化物イオンが伝導することで、イオン伝導が生じていると考えられる。また、K+などのアルカリ金属イオンは、一般に伝導しやすいイオンであるが、KEuGe2O6では、K+は伝導せず、酸化物イオンが伝導する特徴を有している。これらの点は、KEuGe2O6以外のAMX2O6も同様である。
AMX2O6構造を持つ種々の酸化物は知られているが、これらが酸化物イオン伝導体として機能する点については知られていない。また、AMX2O6構造を持つ酸化物に対して適切なドーパント(元素B、C、D)を添加すると、イオン伝導度が向上する点も知られていない。
[参考文献1]Pei-Lin Chen et. al., Dalton Trans., 2008, 1721-1726
[1.1. Crystal structure]
FIG. 1 shows the crystal structure of KEuGe 2 O 6 , a kind of oxide with the AMX 2 O 6 structure. KEuGe 2 O 6 has a three-membered ring (Ge 3 O 9 ) 6- . Ge 4+ is located at the center of the [GeO 4 ] tetrahedron that constitutes the three-membered ring, and K + and Eu 3+ are located between the three-membered rings (see Reference 1). The three-membered rings are connected via the oxygen at the vertices, and it is thought that ion conduction is caused by conduction of oxide ions along the three-membered rings. Alkali metal ions such as K + are generally easily conductive ions, but KEuGe 2 O 6 has the characteristic of not conducting K + but conducting oxide ions. These points are the same for AMX 2 O 6 other than KEuGe 2 O 6 .
Various oxides having the AMX 2 O 6 structure are known, but it is not known that they function as oxide ion conductors. Moreover, it is not known that addition of appropriate dopants (elements B, C, and D) to oxides having the AMX 2 O 6 structure improves the ionic conductivity.
[Reference 1] Pei-Lin Chen et. al., Dalton Trans., 2008, 1721-1726
[1.2. 組成(1)]
本発明に係る酸化物イオン伝導体は、次の式(1)で表される組成を有する。
(A1-xBx)(M1-yCy)(X1-zDz)2O6±δ ・・・(1)
但し、
前記Aは、Li、Na、K、Rb、及びCsからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
前記Mは、Al、Ga、In、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、及びYからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
前記Xは、Ge、Si、及びSnからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
前記Bは、前記Aとは異なる元素であって、Li、Na、K、Rb、Cs、Cu、及びBaからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
前記Cは、前記Mとは異なる元素であって、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Al、Ga、In、Sc、Y、Ba、Sr、及びCaからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
前記Dは、前記Xとは異なる元素であって、Ge、Si、Al、Ga、及びSnからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
0≦x≦0.2、0≦y≦0.2、0≦z≦0.2、
δは、電気的中性が保たれる値。
[1.2. Composition (1)]
An oxide ion conductor according to the present invention has a composition represented by the following formula (1).
(A1 - xBx )(M1 - yCy )(X1 -zDz ) 2O6 ±δ (1)
however,
A is any one or more elements selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, and Cs;
The M is any one selected from the group consisting of Al, Ga, In, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, and Y one or more elements,
X is any one or more elements selected from the group consisting of Ge, Si, and Sn;
The B is an element different from the A, and is any one or more elements selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, Cs, Cu, and Ba;
The C is an element different from the M, and includes La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Al, Ga, In, Sc, any one or more elements selected from the group consisting of Y, Ba, Sr, and Ca;
The D is an element different from the X and is any one or more elements selected from the group consisting of Ge, Si, Al, Ga, and Sn,
0≤x≤0.2, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.2,
δ is the value at which electroneutrality is maintained.
[1.2.1. 元素A]
元素Aは、図1に示したKEuGe2O6構造において、Kが占めるサイトに位置する元素である。本発明において、元素Aは、1価の金属元素であって、Li、Na、K、Rb、又はCsからなる。これらの元素はいずれも当該サイトを占有することができ、元素Aとして好適である。酸化物イオン伝導体は、これらのいずれか1種の元素Aを含むものでも良く、あるいは、2種以上を含むものでも良い。
なお、本発明において「金属元素」というときは、SiやGeなどの半金属も含まれる。
[1.2.1. Element A]
Element A is an element positioned at the site occupied by K in the KEuGe 2 O 6 structure shown in FIG. In the present invention, element A is a monovalent metal element consisting of Li, Na, K, Rb, or Cs. Any of these elements can occupy the site and is suitable as the element A. The oxide ion conductor may contain one of these elements A, or may contain two or more of them.
In the present invention, the term "metal element" includes semimetals such as Si and Ge.
[1.2.2. 元素M]
元素Mは、図1に示したKEuGe2O6構造において、Euが占めるサイトに位置する元素である。本発明において、元素Mは、3価の金属元素であって、Al、Ga、In、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、又はYからなる。これらの元素はいずれも当該サイトを占有することができ、元素Mとして好適である。酸化物イオン伝導体は、これらのいずれか1種の元素Mを含むものでも良く、あるいは、2種以上を含むものでも良い。
[1.2.2. Element M]
Element M is an element positioned at the site occupied by Eu in the KEuGe 2 O 6 structure shown in FIG. In the present invention, the element M is a trivalent metal element, Al, Ga, In, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu , Sc, or Y. Any of these elements can occupy the site and is suitable as the element M. The oxide ion conductor may contain one of these elements M, or may contain two or more of them.
[1.2.3. 元素X]
元素Xは、図1に示したKEuGe2O6構造において、Geが占めるサイトに位置する元素である。本発明において、元素Xは、4価の金属元素であって、Ge、Si、又はSnからなる。これらの元素はいずれも当該サイトを占有することができ、元素Xとして好適である。酸化物イオン伝導体は、これらのいずれか1種の元素Xを含むものでも良く、あるいは、双方を含むものでも良い。
[1.2.3. Element X]
Element X is an element positioned at the site occupied by Ge in the KEuGe 2 O 6 structure shown in FIG. In the present invention, the element X is a tetravalent metal element consisting of Ge, Si, or Sn. Any of these elements can occupy the site and is suitable as the element X. The oxide ion conductor may contain any one of these elements X, or may contain both of them.
[1.2.4. 元素B]
元素Bは、元素Aを置換するドーパントである。本発明において、元素Bは、元素Aとは異なる元素であって、Li、Na、K、Rb、Cs、Cu、又はBaからなる。酸化物イオン伝導体は、これらのいずれか1種の元素Bを含むものでも良く、あるいは、2種以上を含むものでも良い。
これらの元素Bは、いずれもイオン半径が元素Aに近いため、元素Aを置換することができる。また、元素Bと元素Aの価数が異なる時には、結晶格子内に酸素空孔又は格子間酸素が導入されるため、元素Bを含まない材料に比べて高いイオン伝導度を示す。
[1.2.4. Element B]
Element B is a dopant that replaces element A. In the present invention, element B is an element different from element A and consists of Li, Na, K, Rb, Cs, Cu, or Ba. The oxide ion conductor may contain one of these elements B, or may contain two or more of them.
These elements B can substitute the element A because they all have ionic radii close to that of the element A. Further, when the valences of the element B and the element A are different, oxygen vacancies or interstitial oxygen are introduced into the crystal lattice, so that the ionic conductivity is higher than that of a material that does not contain the element B.
元素Bは、元素Aとのイオン半径差が15%以下であるものが好ましい(ヒューム・ロザリーの法則)。イオン半径差は、好ましくは、12%以下、さらに好ましくは、10%以下である。
ここで、「元素Bと元素Aとのイオン半径差(ΔRB-A)」とは、次の(2.1)式で表される値をいう。
ΔRB-A(%)=|RB-RA|×100/RA ・・・(2.1)
但し、
RBは、元素Bのイオン半径、
RAは、元素Aのイオン半径。
Element B preferably has an ionic radius difference of 15% or less from element A (Hume-Rothery's law). The ionic radius difference is preferably 12% or less, more preferably 10% or less.
Here, "the ionic radius difference (ΔR BA ) between the element B and the element A" means a value represented by the following formula (2.1).
ΔR BA (%)=|R B −R A |×100/R A (2.1)
however,
RB is the ionic radius of element B ;
RA is the ionic radius of element A ;
[1.2.5. 元素C]
元素Cは、元素Mを置換するドーパントである。本発明において、元素Cは、元素Mとは異なる元素であって、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Al、Ga、In、Sc、Y、Ba、Sr、又はCaからなる。酸化物イオン伝導体は、これらのいずれか1種の元素Cを含むものでも良く、あるいは、2種以上を含むものでも良い。
これらの元素Cは、いずれもイオン半径が元素Mに近いため、元素Mを置換することができる。また、元素Cと元素Mの価数が異なる時には、結晶格子内に酸素空孔又は格子間酸素が導入されるため、元素Cを含まない材料に比べて高いイオン伝導度を示す。
[1.2.5. Element C]
Element C is a dopant that replaces element M. In the present invention, element C is an element different from element M and includes La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Al, Ga, Consists of In, Sc, Y, Ba, Sr, or Ca. The oxide ion conductor may contain one of these elements C, or may contain two or more of them.
These elements C have ionic radii close to that of the element M, so they can substitute for the element M. In addition, when the element C and the element M have different valences, oxygen vacancies or interstitial oxygen are introduced into the crystal lattice, so that the ionic conductivity is higher than that of a material that does not contain the element C.
元素Cは、元素Mとのイオン半径差が15%以下であるものが好ましい(ヒューム・ロザリーの法則)。イオン半径差は、好ましくは、12%以下、さらに好ましくは、10%以下である。
ここで、「元素Cと元素Mとのイオン半径差(ΔRC-M)」とは、次の(2.2)式で表される値をいう。
ΔRC-M(%)=|RC-RM|×100/RM ・・・(2.2)
但し、
RCは、元素Cのイオン半径、
RMは、元素Mのイオン半径。
Element C preferably has an ionic radius difference of 15% or less from element M (Hume-Lothery's law). The ionic radius difference is preferably 12% or less, more preferably 10% or less.
Here, "the ionic radius difference (ΔR CM ) between the element C and the element M" means a value represented by the following formula (2.2).
ΔR CM (%)=|R C −R M |×100/R M (2.2)
however,
R C is the ionic radius of element C;
RM is the ionic radius of element M ;
[1.2.6. 元素D]
元素Dは、元素Xを置換するドーパントである。本発明において、元素Dは、元素Xとは異なる元素であって、Ge、Si、Al、Ga、又はSnからなる。酸化物イオン伝導体は、これらのいずれか1種の元素Dを含むものでも良く、あるいは、2種以上を含むものでも良い。
これらの元素Dは、いずれもイオン半径が元素Xに近いため、元素Xを置換することができる。また、元素Dと元素Xの価数が異なる時には、結晶格子内に酸素空孔又は格子間酸素が導入されるため、元素Cを含まない材料に比べて高いイオン伝導度を示す。
[1.2.6. Element D]
Element D is a dopant that replaces element X. In the present invention, element D is an element different from element X and consists of Ge, Si, Al, Ga, or Sn. The oxide ion conductor may contain any one of these elements D, or may contain two or more of them.
These elements D have ionic radii close to that of the element X, and therefore can substitute for the element X. Also, when the valences of the element D and the element X are different, oxygen vacancies or interstitial oxygen are introduced into the crystal lattice, so that the ionic conductivity is higher than that of a material that does not contain the element C.
元素Dは、元素Xとのイオン半径差が15%以下であるものが好ましい(ヒューム・ロザリーの法則)。イオン半径差は、好ましくは、12%以下、さらに好ましくは、10%以下である。
ここで、「元素Dと元素Xとのイオン半径差(ΔRD-X)」とは、次の(2.3)式で表される値をいう。
ΔRD-X(%)=|RD-RX|×100/RX ・・・(2.3)
但し、
RDは、元素Dのイオン半径、
RXは、元素Xのイオン半径。
Element D preferably has an ionic radius difference of 15% or less from element X (Hume-Lothery's law). The ionic radius difference is preferably 12% or less, more preferably 10% or less.
Here, "the ionic radius difference (ΔR DX ) between the element D and the element X" means a value represented by the following formula (2.3).
ΔR DX (%)=|R D −R X |×100/R X (2.3)
however,
RD is the ionic radius of element D;
R X is the ionic radius of element X;
[1.2.7. x]
xは、元素Aを置換する元素Bの量を表す。本発明に係る酸化物イオン伝導体は、元素Bを含まない場合であっても、相対的に高いイオン伝導度を示す。すなわち、xは、ゼロであっても良い。一般に、xが大きくなるほど、イオン伝導度が高くなる。このような効果を得るためには、xは、0.01以上が好ましい。xは、好ましくは、0.03以上、さらに好ましくは、0.05以上である。
一方、xが大きくなりすぎると、元素Bのすべてが元素Aを置換せず、異相として析出する場合がある。従って、xは、0.2以下が好ましい。xは、好ましくは、0.15以下、さらに好ましくは、0.1以下である。
[1.2.7. x]
x represents the amount of element B substituting element A; The oxide ion conductor according to the present invention exhibits relatively high ionic conductivity even when element B is not included. That is, x may be zero. In general, the larger x, the higher the ionic conductivity. In order to obtain such effects, x is preferably 0.01 or more. x is preferably 0.03 or more, more preferably 0.05 or more.
On the other hand, if x is too large, not all of the element B replaces the element A and may precipitate as a different phase. Therefore, x is preferably 0.2 or less. x is preferably 0.15 or less, more preferably 0.1 or less.
[1.2.8. y]
yは、元素Mを置換する元素Cの量を表す。本発明に係る酸化物イオン伝導体は、元素Cを含まない場合であっても、相対的に高いイオン伝導度を示す。すなわち、yは、ゼロであっても良い。一般に、yが大きくなるほど、イオン伝導度が高くなる。このような効果を得るためには、yは、0.01以上が好ましい。yは、好ましくは、0.03以上、さらに好ましくは、0.05以上である。
一方、yが大きくなりすぎると、元素Cのすべてが元素Mを置換せず、異相として析出する場合がある。従って、yは、0.2以下が好ましい。yは、好ましくは、0.15以下、さらに好ましくは、0.1以下である。
[1.2.8. y]
y represents the amount of element C substituting element M; The oxide ion conductor according to the present invention exhibits relatively high ionic conductivity even when element C is not included. That is, y may be zero. In general, the higher y, the higher the ionic conductivity. In order to obtain such effects, y is preferably 0.01 or more. y is preferably 0.03 or more, more preferably 0.05 or more.
On the other hand, if y is too large, not all of the element C replaces the element M and may precipitate as a different phase. Therefore, y is preferably 0.2 or less. y is preferably 0.15 or less, more preferably 0.1 or less.
[1.2.9. z]
zは、元素Xを置換する元素Dの量を表す。本発明に係る酸化物イオン伝導体は、元素Dを含まない場合であっても、相対的に高いイオン伝導度を示す。すなわち、zは、ゼロであっても良い。一般に、zが大きくなるほど、イオン伝導度が高くなる。このような効果を得るためには、zは、0.01以上が好ましい。zは、好ましくは、0.03以上、さらに好ましくは、0.05以上である。
一方、zが大きくなりすぎると、元素Dのすべてが元素Xを置換せず、異相として析出する場合がある。従って、zは、0.2以下が好ましい。zは、好ましくは、0.15以下、さらに好ましくは、0.1以下である。
[1.2.9. z]
z represents the amount of element D substituting element X; The oxide ion conductor according to the present invention exhibits relatively high ionic conductivity even when element D is not included. That is, z may be zero. In general, the higher z, the higher the ionic conductivity. In order to obtain such effects, z is preferably 0.01 or more. z is preferably 0.03 or more, more preferably 0.05 or more.
On the other hand, if z is too large, not all of the element D replaces the element X and may precipitate as a heterogeneous phase. Therefore, z is preferably 0.2 or less. z is preferably 0.15 or less, more preferably 0.1 or less.
[1.2.10. δ]
ドーパント(元素B、C、D)を含まない場合、δは理想的にはゼロとなる。しかし、実際には、ドーパントを含まない場合であっても、酸素空孔や格子間酸素が生成することがある。また、主構成元素(元素A、M、X)とは価数が異なるドーパント(元素B、C、D)を添加した場合、通常、電気的中性が保たれるように、酸素空孔や格子間酸素が生成する。元素B、C、Dの価数を、それぞれ、b、c、dとした場合、形式的には、2δ=(b-1)x+(c-3)y+2(d-4)zと表せる。
[1.2.10. δ]
In the absence of dopants (elements B, C, D), δ is ideally zero. However, in practice, oxygen vacancies and interstitial oxygen may be generated even when no dopant is contained. Further, when dopants (elements B, C, D) having different valences from the main constituent elements (elements A, M, X) are added, oxygen vacancies or Interstitial oxygen is produced. When the valences of elements B, C, and D are b, c, and d, respectively, it can be expressed formally as 2δ=(b−1)x+(c−3)y+2(d−4)z.
[1.3. 組成(2)]
本発明に係る酸化物イオン伝導体は、特に、次の式(1.1)で表される組成を有するものが好ましい。
(K1-xBx)(Eu1-yCy)(Ge1-zDz)2O6±δ ・・・(1.1)
但し、
前記Bは、Li、Na、Rb、Cs、Cu、及びBaからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
前記Cは、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Al、Ga、In、Sc、Y、Ba、Sr、及びCaからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
前記Dは、Si、Al、Ga、及びSnからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
0≦x≦0.2、0≦y≦0.2、0≦z≦0.2、
δは、電気的中性が保たれる値。
[1.3. Composition (2)]
The oxide ion conductor according to the present invention particularly preferably has a composition represented by the following formula (1.1).
(K1 - xBx )(Eu1 - yCy )(Ge1 - zDz ) 2O6 ±δ (1.1)
however,
B is any one or more elements selected from the group consisting of Li, Na, Rb, Cs, Cu, and Ba;
C is from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Al, Ga, In, Sc, Y, Ba, Sr, and Ca any one or more elements selected,
D is any one or more elements selected from the group consisting of Si, Al, Ga, and Sn;
0≤x≤0.2, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.2,
δ is the value at which electroneutrality is maintained.
(1.1)式中、B、C、D、x、y、z、及びδの詳細については、(1)式と同様であるので、説明を省略する。
(1.1)式で表される組成物は、大気中高温(~900℃)において安定であり、高い酸化物イオン伝導度を示す。特に、K、Eu、Geといった比較的酸化物イオンに比べて動きにくい元素を主体に構成されているため、酸化物イオン以外の元素が動くことにより構造が壊れる心配がない。
In formula (1.1), details of B, C, D, x, y, z, and δ are the same as in formula (1), so description thereof is omitted.
The composition represented by formula (1.1) is stable at high temperatures (up to 900° C.) in the atmosphere and exhibits high oxide ion conductivity. In particular, since it is composed mainly of elements such as K, Eu, and Ge, which are relatively difficult to move compared to oxide ions, there is no fear that the structure will be broken due to the movement of elements other than oxide ions.
[1.4. 用途]
本発明に係る酸化物イオン伝導体は、各種の電気化学デバイスの固体電解質に用いることができる。本発明が適用される電気化学デバイスとしては、例えば、
(a)固体酸化物形燃料電池(SOFC)、
(b)酸素ガスセンサ、
(c)排ガス浄化用素子、
(d)固体酸化物形電解セル(SOEC)、
などがある。
[1.4. Application]
The oxide ion conductor according to the present invention can be used for solid electrolytes of various electrochemical devices. Electrochemical devices to which the present invention is applied include, for example,
(a) a solid oxide fuel cell (SOFC);
(b) an oxygen gas sensor;
(c) exhaust gas purifying element,
(d) a solid oxide electrolytic cell (SOEC);
and so on.
[2. 酸化物イオン伝導体の製造方法]
本発明に係る酸化物イオン伝導体は、
(a)所定の組成となるように原料を混合し、
(b)原料混合物を所定の条件下で仮焼し、
(c)仮焼粉を適度に粉砕した後、仮焼粉を成形・焼結する
ことにより製造することができる。
製造条件は、特に限定されるものではなく、目的とする組成に応じて、最適な条件を選択するのが好ましい。
[2. Method for producing oxide ion conductor]
The oxide ion conductor according to the present invention is
(a) mixing raw materials so as to have a predetermined composition;
(b) calcining the raw material mixture under predetermined conditions;
(c) It can be produced by appropriately pulverizing the calcined powder and then molding and sintering the calcined powder.
The production conditions are not particularly limited, and it is preferable to select the optimum conditions according to the target composition.
[3. 作用]
SOFCなどの電気化学デバイスに用いられる固体電解質には、現在、YSZが広く用いられている。しかし、YSZは、
(a)イオン伝導度が未だ不十分である、
(b)伝導の活性化エネルギーが比較的高く(約100kJ/mol)、温度が700℃未満になると急激にイオン伝導度が低下する、
(c)通常、800~1000℃程度の高温で使用されるため、YSZの周辺部材には、耐熱性が高く、かつ、作動温度域においてYSZと反応しない材料を用いる必要がある、
(d)酸化物としては密度が高いため、使用装置が重くなる、
などの問題がある。
[3. action]
YSZ is currently widely used as a solid electrolyte for electrochemical devices such as SOFC. However, YSZ
(a) the ionic conductivity is still insufficient,
(b) the conduction activation energy is relatively high (approximately 100 kJ/mol), and the ionic conductivity drops sharply at temperatures below 700°C;
(c) Since it is usually used at a high temperature of about 800 to 1000 ° C., it is necessary to use a material that has high heat resistance and does not react with YSZ in the operating temperature range for the peripheral members of YSZ.
(d) As an oxide, it has a high density, so the apparatus used is heavy.
There are problems such as
この問題を解決するために、電気化学デバイスの作動温度を低温化させる方法が提案されている。例えば、SOFCの場合、作動温度を低温化させる方法としては、
(a)電解質を極めて薄い膜にする方法、
(b)高性能な電極を用いて過電圧を低減する方法、
(c)高イオン伝導性を持つ新規な材料を開発する方法
などが提案されている。
In order to solve this problem, methods of lowering the operating temperature of electrochemical devices have been proposed. For example, in the case of SOFC, as a method of lowering the operating temperature,
(a) a method of making the electrolyte into an extremely thin film;
(b) a method of reducing overvoltage using high performance electrodes;
(c) A method of developing a novel material with high ionic conductivity and the like have been proposed.
これらの内、電解質膜を薄くする方法や電極材料を探索する方法は、本質的な解決策ではない。また、YSZ以外の電解質として、スカンジア(Sc2O3)安定化ジルコニア(ScSZ)、ランタンガレート(LaGaO3)系電解質、セリア系電解質などが提案されているが、これらはいずれも、強度、酸化還元耐性、価格などに問題があり、十分な成功を見ていない。 Among these, the method of thinning the electrolyte membrane and the method of searching for electrode materials are not essential solutions. As electrolytes other than YSZ, scandia (Sc 2 O 3 )-stabilized zirconia (ScSZ), lanthanum gallate (LaGaO 3 )-based electrolytes, and ceria-based electrolytes have been proposed. There are problems with reduction resistance, price, etc., and we have not seen sufficient success.
これに対し、AMX2O6構造を持つ酸化物イオン伝導体は、400~700℃におけるイオン伝導度が相対的に高く、組成によってはYSZとほぼ同等のイオン伝導度を示す。具体的には、700℃におけるYSZの伝導度は、10-2~10-3S/cm@700℃である。一方、本発明に係る酸化物イオン伝導体の一種であるKEu0.8Ca0.2Ge2O6の700℃におけるイオン伝導度は、0.18×10-2S/cm@700℃となる。 On the other hand, oxide ion conductors having the AMX 2 O 6 structure have relatively high ionic conductivity at 400 to 700° C., and depending on the composition, exhibit almost the same ionic conductivity as YSZ. Specifically, the conductivity of YSZ at 700°C is 10 -2 to 10 -3 S/cm@700°C. On the other hand, the ion conductivity at 700°C of KEu 0.8 Ca 0.2 Ge 2 O 6 , which is a kind of oxide ion conductor according to the present invention, is 0.18 × 10 -2 S/cm @ 700°C.
また、AMX2O6構造を持つ酸化物イオン伝導体は、400~500℃の低温域におけるイオン伝導度も相対的に高く、組成によってはYSZとほぼ同等のイオン伝導度を示す。具体的には、500℃及び400℃におけるYSZの伝導度は、それぞれ、5.0×10-4S/cm@500℃、及び3.0×10-5S/cm@400℃である。一方、本発明に係る酸化物イオン伝導体の一種であるKEu0.8Ca0.2Ge2O6の500℃及び400℃における伝導度は、それぞれ、7.6×10-5S/cm@500℃、及び1.8×10-5S/cm@400℃となる。
また、AMX2O6構造を持つ酸化物イオン伝導体は、イオン伝導度の温度変化がYSZよりも緩やかであり、400~500℃の低温領域でも良好なイオン伝導度を示す。
In addition, the oxide ion conductor having the AMX 2 O 6 structure has a relatively high ion conductivity in a low temperature range of 400 to 500° C., and depending on the composition, shows almost the same ion conductivity as YSZ. Specifically, the conductivity of YSZ at 500° C. and 400° C. is 5.0×10 −4 S/cm @ 500° C. and 3.0×10 −5 S/cm @ 400° C., respectively. On the other hand, the conductivity at 500° C. and 400° C. of KEu 0.8 Ca 0.2 Ge 2 O 6 , which is a kind of oxide ion conductor according to the present invention, is 7.6×10 −5 S/cm@500° C., and 1.8×10 -5 S/cm @ 400°C.
In addition, the oxide ion conductor having the AMX 2 O 6 structure has a more gradual change in ionic conductivity with temperature than YSZ, and exhibits good ionic conductivity even in a low temperature range of 400 to 500°C.
そのため、これをSOFCなどの電気化学デバイスに適用することができる。また、周辺部材に使用される材料の選択の幅が広がる。そのため、電気化学デバイスの性能向上、低コスト化、耐久性の向上などが期待できる。 Therefore, it can be applied to electrochemical devices such as SOFCs. In addition, the range of selection of materials used for peripheral members is widened. Therefore, improvement in performance, cost reduction, and durability improvement of electrochemical devices can be expected.
AMX2O6構造を持つ酸化物であって、元素A、M、Xが特定の元素からなるものは、高いイオン伝導性を示す。これは、原子配置や物性値、及びイオン伝導経路が既知の酸化物イオン伝導体と類似した特徴を有するためである。具体的な評価方法としては、
(a)原子配列の類似性をはかる記述子として、smooth overlap of atomic positions(参考文献2)を使用し、カーネルリッジ回帰で伝導度を評価する方法、
(b)物性値として、伝導度との相関が重要であると考えられる密度や融点を記述子として使用し、偏最小2乗回帰で伝導度を評価する方法、
(c)イオン伝導度経路の類似性を測るreciprocal 3D voxel space(参考文献3)を記述子として、convolutional neural networksで伝導度を評価する方法、
などがある。
上記3つのイオン伝導度の回帰結果から、AMX2O6構造を持つ酸化物がYSZ等の既存の酸化物イオン伝導体と同等の伝導度を示す特徴を有することが示された。
[参考文献2] S. De. A. P. Bartok, G. Csanyi, and M. Ceriotti, Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 13754(2016)
[参考文献3] Kajita, S., Ohba, N., Jinnouchi, R., & Asahi, R., (2017), Scientific reports, 7(1), 16991
An oxide having an AMX 2 O 6 structure, in which the elements A, M, and X are specific elements, exhibits high ionic conductivity. This is because the atomic arrangement, physical properties, and ion conduction path are similar to those of known oxide ion conductors. As a specific evaluation method,
(a) A method of evaluating conductivity by kernel ridge regression using smooth overlap of atomic positions (reference 2) as a descriptor for measuring the similarity of atomic sequences,
(b) A method of evaluating conductivity by partial least-squares regression using, as physical property values, density and melting point, which are considered to be important in correlation with conductivity, as descriptors,
(c) A method of evaluating conductivity with convolutional neural networks using reciprocal 3D voxel space (reference 3), which measures the similarity of ionic conductivity paths, as a descriptor,
and so on.
From the above three ionic conductivity regression results, it was shown that the oxide having the AMX 2 O 6 structure has the characteristic of exhibiting conductivity equivalent to that of existing oxide ionic conductors such as YSZ.
[Reference 2] S. De. AP Bartok, G. Csanyi, and M. Ceriotti, Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 13754 (2016)
[Reference 3] Kajita, S., Ohba, N., Jinnouchi, R., & Asahi, R., (2017), Scientific reports, 7(1), 16991
(実施例1~2、比較例1)
[1. 試料の作製]
[1.1. 実施例1~2]
試料は、通常の固相反応法により合成した。原料は、市販試薬の酸化物又は炭酸塩を使用した。仕込み組成は、以下の通りである。今回は、ストイキ組成、及び、酸素侵入型又は酸素欠損型になるような組成で合成した。
(a)KEuGe2O6(実施例1)
(b)KEu0.8Ca0.2Ge2O6(実施例2)
(Examples 1 and 2, Comparative Example 1)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Examples 1-2]
A sample was synthesized by a conventional solid-phase reaction method. As raw materials, commercial reagent oxides or carbonates were used. The charge composition is as follows. This time, it was synthesized with a stoichiometric composition and a composition that would be an oxygen interstitial type or an oxygen deficient type.
(a) KEuGe2O6 (Example 1 )
( b ) KEu0.8Ca0.2Ge2O6 ( Example 2 )
原料を総量で10gになるように計量して、250mLのポリポットに入れた。さらにφ5mmのジルコニアボールを80mL、溶媒としてエタノールを80mL加えて、ボールミル装置で20h混合した。混合後、スラリーを回収して、ロータリーエバポレータでエタノールを蒸発させ、粉末を回収した。得られた粉末をマッフル炉で大気中、900℃で5hの仮焼を行った。 A total of 10 g of ingredients was weighed into a 250 mL poly pot. Further, 80 mL of φ5 mm zirconia balls and 80 mL of ethanol as a solvent were added and mixed for 20 hours with a ball mill. After mixing, the slurry was recovered and the ethanol was evaporated using a rotary evaporator to recover the powder. The obtained powder was calcined in the air at 900° C. for 5 hours in a muffle furnace.
その仮焼粉末をアルミナ乳鉢で粗粉末がなくなるまで(粒径が数μm以下となるまで)粉砕した。この粉末を金型成形し(φ12×t2mm程度)、アルミナボートに載せて箱型炉で焼結した。焼結雰囲気は、酸素中とした。焼結時間は1時間、焼結温度は1000℃~1100℃とした。 The calcined powder was pulverized in an alumina mortar until coarse powder disappeared (until the particle size became several μm or less). This powder was formed into a mold (approximately φ12×t2 mm), placed on an alumina boat, and sintered in a box furnace. The sintering atmosphere was oxygen. The sintering time was 1 hour, and the sintering temperature was 1000°C to 1100°C.
[1.2. 比較例1]
市販のYSZ(8mol%Y2O3)をそのまま試験に供した。
[1.2. Comparative Example 1]
Commercially available YSZ (8 mol % Y 2 O 3 ) was used for the test as it was.
[2. 試験方法]
[2.1. 密度]
焼結体の密度は、かさ密度で評価した。
[2.2. XRD]
試料の結晶相は、X線回折法(XRD)で同定した。
[2.3. 組成分析]
詳細な組成は、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP)法で測定した。簡易的な組成分析は、蛍光X線法(XRF)で行った。
[2. Test method]
[2.1. density]
The density of the sintered body was evaluated by bulk density.
[2.2. XRD]
The crystalline phases of the samples were identified by X-ray diffraction (XRD).
[2.3. Composition analysis]
The detailed composition was measured by the high frequency inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP) method. Simple compositional analysis was performed by X-ray fluorescence spectroscopy (XRF).
[2.4. イオン伝導度]
イオン伝導度は、インピーダンス法(Cole-Coleプロット)で測定した。得られた焼結体の表面を#500~#1000の紙やすりで研磨して表面層の除去と平滑化を行った。その後、500nmの厚さのPt電極をスパッタで成膜した。Pt成膜後、大気中において、950℃、1hの熱処理を行い、Pt線をPtペーストで貼り付けた。
[2.4. Ionic conductivity]
Ionic conductivity was measured by the impedance method (Cole-Cole plot). The surface of the obtained sintered body was polished with #500 to #1000 sandpaper to remove the surface layer and smooth the surface. After that, a Pt electrode with a thickness of 500 nm was formed by sputtering. After forming the Pt film, heat treatment was performed at 950° C. for 1 hour in the air, and a Pt wire was attached with a Pt paste.
その試料を大気雰囲気の管状炉に設置した。電極にLCRメータ(日置電機(株)製、LCRハイテスタ 3532-50)を繋げて、所定の温度に昇温後、インピーダンス測定を行った。測定周波数は、5MHz~40Hzであった。また、測定温度は、400℃、500℃、600℃、700℃とし、各温度で約15分保持後に測定を行った。さらに、測定は16回行い、その平均値を測定値とした。 The sample was placed in a tube furnace in an air atmosphere. An LCR meter (manufactured by Hioki Electric Co., Ltd., LCR Hitester 3532-50) was connected to the electrode, and impedance was measured after raising the temperature to a predetermined temperature. The measurement frequencies were from 5 MHz to 40 Hz. The measurement temperatures were 400° C., 500° C., 600° C., and 700° C., and the measurement was carried out after holding at each temperature for about 15 minutes. Furthermore, the measurement was performed 16 times, and the average value was used as the measured value.
[3. 結果]
表1に、仮焼温度、焼結温度、かさ密度、及びイオン伝導度を示す。表1より、以下のことがわかる。
(1)各温度から見積もられたドーパントを含まないKEuGe2O6(実施例1)の活性化エネルギーは、80kJ/molであり、YSZの活性化エネルギー(106kJ/mol)より小さい。そのため、実施例1は、伝導度の温度変化が小さい特徴を有する。また、大気中の伝導度と窒素フロー中(酸素濃度:10ppm)の伝導度に違いがないことから、実施例1の伝導度には電子伝導の寄与はない。
(2)各温度から見積もられたKEu0.8Ca0.2Ge2O6(実施例2)の活性化エネルギーは、85kJ/molであり、YSZの活性化エネルギー(106kJ/mol)より小さい。そのため、実施例2の伝導度は、動作温度によってはYSZのそれを上回る。また、大気中の伝導度と窒素フロー中(酸素濃度:10ppm)の伝導度に違いがないことから、実施例2の伝導度には電子伝導の寄与はない。
(3)焼結体密度が3.5Mg/m3(実施例1)、3.9Mg/m3(実施例2)と、YSZのおよそ70%であり、デバイスが軽量化できる。
(4)焼結温度が1000~1100℃とYSZよりも500~400℃低い温度で製造可能であり、製造の低コスト化が期待できる。
[3. result]
Table 1 shows the calcining temperature, sintering temperature, bulk density, and ionic conductivity. Table 1 shows the following.
(1) The activation energy of KEuGe 2 O 6 containing no dopant (Example 1) estimated from each temperature is 80 kJ/mol, which is smaller than the activation energy of YSZ (106 kJ/mol). Therefore, Example 1 has a feature that the change in conductivity with temperature is small. Further, since there is no difference between the conductivity in air and the conductivity in nitrogen flow (oxygen concentration: 10 ppm), the conductivity in Example 1 does not contribute to electron conduction.
(2) The activation energy of KEu 0.8 Ca 0.2 Ge 2 O 6 (Example 2) estimated from each temperature is 85 kJ/mol, which is smaller than the activation energy of YSZ (106 kJ/mol). Therefore, the conductivity of Example 2 exceeds that of YSZ at some operating temperatures. Further, since there is no difference between the conductivity in air and the conductivity in nitrogen flow (oxygen concentration: 10 ppm), the conductivity in Example 2 does not contribute to electron conduction.
(3) The density of the sintered body is 3.5 Mg/m 3 (Example 1) and 3.9 Mg/m 3 (Example 2), which is about 70% of YSZ, and the weight of the device can be reduced.
(4) It can be manufactured at a sintering temperature of 1000 to 1100° C., which is 500 to 400° C. lower than that of YSZ, and a reduction in manufacturing cost can be expected.
(実施例3)
[1. 量子力学計算によるベース組成の検討]
AMX2O6構造の酸化物の合成可能性を量子力学計算によるエネルギー安定性で検討した。元素A(+1価)には、Li、Na、K、Rb、Cs、及びCuを選択した。元素M(+3価)には、Al、Ga、In、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuを選択した。元素X(+4価)には、Si、Ge、及びSnを選択した。
(Example 3)
[1. Investigation of base composition by quantum mechanical calculation]
The feasibility of synthesizing oxides with the AMX 2 O 6 structure was investigated by energy stability based on quantum mechanical calculations. Li, Na, K, Rb, Cs, and Cu were selected for the element A (+1 valence). Al, Ga, In, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu were selected for the element M (+3 valence). . Si, Ge, and Sn were selected for the element X (+4 valence).
合成反応として次の式(2)を想定し、量子力学計算により、その際の生成熱を式(3)により評価した。
1/2A2O+1/2M2O3+2XO2 → AMX2O6 ・・・(2)
生成熱=E(AMX2O6)-1/2E(A2O)-1/2E(M2O3)-2E(XO2)
・・・(3)
Assuming the following formula (2) as a synthesis reaction, the heat of formation at that time was evaluated by formula (3) by quantum mechanical calculation.
1/2A2O+ 1 / 2M2O3 + 2XO2- > AMX2O6 ( 2 )
Heat of Formation=E(AMX 2 O 6 )−1/2E(A 2 O)−1/2E(M 2 O 3 )−2E(XO 2 )
... (3)
[2. 結果]
今回、酸化物イオン伝導体としての機能が見出されたKEuGe2O6を元に、K、Eu、Geのいずれか1つの元素を他の元素で全置換した。表2に、そのときの生成熱を示す。生成熱が負である場合、その酸化物AMX2O6は安定であり、合成できることを示している。すなわち、全置換が可能な当該元素は、酸化物AMX2O6の主構成元素(A、M、X)となり得ることを示している。表2より、以下のことが分かる。
[2. result]
This time, based on KEuGe 2 O 6 which was found to function as an oxide ion conductor, any one element of K, Eu and Ge was completely replaced with another element. Table 2 shows the heat of formation at that time. A negative heat of formation indicates that the oxide AMX 2 O 6 is stable and can be synthesized. That is, it indicates that the element capable of total substitution can be the main constituent elements (A, M, X) of the oxide AMX 2 O 6 . Table 2 shows the following.
(1)元素A(+1価)に関し、Li、Na、Rb、及びCsは、それぞれ、Kを全置換することができるが、CuはKを全置換することができない。
(2)元素M(+3価)に関し、Al、Ga、In、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuは、それぞれ、Euを全置換することができる。
(3)元素X(+4価)に関し、Si及びSnはGeを全置換することができる。
(4)A=Kを(1-s)モル、A=Cuをsモル混ぜた場合の生成熱(式(3))は、-2.52(1-s)+0.14sと見積もられる。従って、s≦0.95では生成熱は負となるため、95%以下であればCuはKを置換することが可能である。
(1) Regarding the element A (+1 valence), Li, Na, Rb, and Cs can totally substitute K, but Cu cannot totally substitute K.
(2) Regarding the element M (+3 valence), Al, Ga, In, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu are each , Eu can be totally substituted.
(3) Regarding the element X (+4 valence), Si and Sn can fully substitute for Ge.
(4) The heat of formation (formula (3)) when (1-s) moles of A=K and A=s moles of Cu are mixed is estimated to be -2.52(1-s)+0.14s. Therefore, when s≦0.95, the heat of formation is negative, so Cu can replace K if it is 95% or less.
(実施例4~7)
[1. 試料の作製]
実施例1と同様にして、試料を作製した。仕込み組成は、以下の通りである。
KEu0.9Ca0.1Ge2O6(実施例4)
KEu0.8Ca0.2Ge2O6(実施例5)
KEu0.9Sr0.1Ge2O6(実施例6)
KEu0.8Sr0.2Ge2O6(実施例7)
(Examples 4-7)
[1. Preparation of sample]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1. The charge composition is as follows.
KEu0.9Ca0.1Ge2O6 ( Example 4 )
KEu0.8Ca0.2Ge2O6 ( Example 5 )
KEu0.9Sr0.1Ge2O6 ( Example 6 )
KEu0.8Sr0.2Ge2O6 ( Example 7 )
[2. 試験方法]
[2.1. 密度]
焼結体の密度は、焼結体密度D及び相対密度Drで評価した。
[2.2. イオン伝導度]
実施例1と同様にして、イオン伝導度を測定した。また、得られたイオン伝導度から、活性化エネルギーEa及びO2-輸率を求めた。
[2. Test method]
[2.1. density]
The density of the sintered body was evaluated by the sintered body density D and the relative density Dr.
[2.2. Ionic conductivity]
The ionic conductivity was measured in the same manner as in Example 1. Also, the activation energy Ea and the O 2 -transference number were obtained from the obtained ionic conductivity.
[3. 結果]
表3に、焼結体密度D、相対密度Dr、イオン伝導度、活性化エネルギーEa、及びO2-輸率を示す。表3より、以下のことがわかる。
(1)実施例4~7で得られた試料のイオン伝導度は、ドーパントを含まないKEuGeO6(実施例1)のそれと同等以上であった。
(2)酸素濃淡電池による起電力測定から得られた酸化物イオン(O2-)輸率は90%以上であり、実施例4~7で得られた試料は、ほぼ純粋な酸化物イオン伝導体である。
[3. result]
Table 3 shows the sintered body density D, relative density Dr, ionic conductivity, activation energy Ea, and O 2 -transference number. Table 3 shows the following.
(1) The ionic conductivity of the samples obtained in Examples 4 to 7 was equal to or higher than that of KEuGeO 6 containing no dopant (Example 1).
(2) The oxide ion (O 2- ) transference number obtained from electromotive force measurement by an oxygen concentration cell is 90% or more, and the samples obtained in Examples 4 to 7 are almost pure oxide ion conductors. is the body.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is by no means limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.
本発明に係る酸化物イオン伝導体は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、酸素ガスセンサ、排ガス浄化用素子などに用いられる固体電解質として使用することができる。 The oxide ion conductor according to the present invention can be used as a solid electrolyte for solid oxide fuel cells (SOFC), oxygen gas sensors, exhaust gas purifying elements, and the like.
Claims (3)
K(Eu 1-y C y )Ge 2 O 6±δ
で表される組成を有する酸化物イオン伝導体。
但し、
前記Cは、Sr、及び/又は、Ca、
0≦y≦0.2、
δは、電気的中性が保たれる値。 An oxide having an AMX 2 O 6 structure (where A is a monovalent metal element, M is a trivalent metal element, and X is a tetravalent metal element) ,
K(Eu1 - yCy ) Ge2O6 ± [ delta ]
An oxide ion conductor having a composition represented by
however,
The C is Sr and/or Ca,
0≤y≤0.2,
δ is the value at which electroneutrality is maintained.
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