JPH1171169A - 酸化物イオン導電性セラミックス及びその製造方法 - Google Patents

酸化物イオン導電性セラミックス及びその製造方法

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JPH1171169A
JPH1171169A JP9230132A JP23013297A JPH1171169A JP H1171169 A JPH1171169 A JP H1171169A JP 9230132 A JP9230132 A JP 9230132A JP 23013297 A JP23013297 A JP 23013297A JP H1171169 A JPH1171169 A JP H1171169A
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conductivity
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温域においても酸化物イオンの導電率が高
く、十分な機械的強度を持つと共に高い緻密性の組織を
有し、酸素センサの電解質に用いた場合に、酸素ガスが
透過するなどの問題がない酸化物イオン導電性セラミッ
クスを提供する。 【解決手段】 この発明における酸化物イオン導電性
セラミックスは、1700℃以上の温度で焼成された
(RE2 3 x (SiO2 6 (REはLa,Ce,
Pr,Nd,Smから選択される元素であり、xは3.
5<x<6の条件を満たす。)を主成分とする焼結体で
あって、その主構成相がアパタイト結晶構造になってい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、酸化物イオンに
よる電気伝導を利用した酸化物イオン導電性セラミック
ス及びその製造方法に関し、特に希土類元素の酸化物と
二酸化ケイ素とを用いた酸化物イオンイオン導電性セラ
ミックスにおいて、低温域での高いイオン導電性を示
し、排ガス中又は溶融金属中の酸素センサや固体電池な
どの電気化学デバイスに用いることができる酸化物イオ
ン導電性セラミックス及びその製造方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来より、酸化物イオンによる電気伝導
を利用した各種の酸化物イオン導電性セラミックスにつ
いての研究開発が行われており、このような酸化物イオ
ン導電性セラミックスとしては、蛍石構造をとる(Zr
2 0.92(Y2 3 0.08、(Bi2 3 0.75(Y
2 3 0.25、(CeO2 0.75(Gd2 3 0.25
ど、またベロブスカイ型酸化物であるLa0.9 Sr0.1
Ga0.8Mg0.2 3や、BaTh0.9 Gd0.1 3 など
が高いイオン導電性を示すことでよく知られている。
【0003】そして、(ZrO2 0.92(Y2 3
0.08や(ZrO2 0.85(MgO)0. 15 を代表とする
安定化ジルコニアからなる酸化物イオン導電性セラミッ
クスは、排ガス中や溶融金属中における酸素濃度を測定
する酸素センサや固体電解質型燃料電池などへの応用が
提案され、すでに実用化されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、安定化ジルコ
ニアは蛍石構造をとるため、ゲスト陽イオンのモル比を
上げて酸素空孔を増やそうとすると、酸素空孔とゲスト
陽イオンとの会合現象が起こって、逆に酸化物イオン導
電率が低下し、このため、安定化ジルコニアの場合に
は、本質的に酸化物イオン導電率に限界があり、最も高
い酸化物イオン導電性を示す(ZrO2 0.92(Yb2
3 0.08においても、低温域である300℃での酸化
物イオン導電率は8×10-6S/cmと低くなってい
た。
【0005】一方、現在知られている低温域で最も高い
酸化物イオン導電性を示す酸化物イオン導電性セラミッ
クスとしては、(Bi2 3 0.75(Y2 3 0.25
BaTh0.9 Gd0.13 とが知られており、これらの
導電率は200℃で1×10- 6S/cm、300℃で
1.5×10-4S/cmであるが、安定化ジルコニアに
較べると、焼結体の緻密性や機械的強度などに欠けると
いう問題があった。
【0006】また、近年においては、特開平8−208
333号公報に示されるように、希土類元素の酸化物と
二酸化ケイ素を主成分とし、主構成相の結晶系が六方晶
からなる酸化物イオン導電性セラミックスが提案され
た。
【0007】ここで、このような酸化物イオン導電性セ
ラミックスは、低温域での酸化物イオンの導電性は安定
化ジルコニアとほぼ同じであるが、その結晶構造のため
にさらに高い導電性が期待できるものであった。
【0008】しかし、同公報に示されているものにおい
ても、必ずしも酸化物イオンの導電性が十分であるとは
いえず、また同公報に示されているものにおいては、こ
のような酸化物イオン導電性セラミックスを得るにあた
り、アルミナ製の焼成治具を用いて焼結を行なうため、
1650℃付近以上で焼成体がアルミナ製の焼成治具と
反応し、高い温度での焼成が行えず、酸化物イオン導電
性セラミックスの緻密性が十分ではなかった。
【0009】このため、同公報に示されているものにお
いては、高い酸化物イオン導電性を得ることが困難であ
り、また酸素センサの電解質に用いた場合に、酸素ガス
が透過するなどの問題があった。
【0010】この発明は、酸化物イオン導電性セラミッ
クスにおける上記のような様々な問題を解決することを
課題とするものであり、低温域においても酸化物イオン
の導電率が高く、十分な機械的強度を持つと共に、高い
緻密性の組織を有し、酸素センサの電解質に用いた場合
に、酸素ガスが透過するなどの問題がない酸化物イオン
導電性セラミックスを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】この発明においては、上
記のような課題を解決するため、請求項1に示すよう
に、1700℃以上の温度で焼成された(RE2 3
x (SiO2 6 (REはLa,Ce,Pr,Nd,S
mから選択される元素であり、xは3.5<x<6の条
件を満たす。)を主成分とする焼結体であって、その主
構成相がアパタイト結晶構造である酸化物イオン導電性
セラミックスを開発したのである。
【0012】ここで、この発明の請求項1における酸化
物イオン導電性セラミックスは、その主構成相がアパタ
イト結晶構造で、空間群がP63 /m、REx (SiO
4 6 1.5x-12(8≦x≦9.33)のアパタイト組
成を有し、またRE2 SiO5 などの結晶質及びいくつ
かのガラス成分質などを少量含むものであり、低温域に
おいても酸化物イオンの導電率が高く、十分な機械的強
度を持つと共に高い緻密性の組織を有するようになる。
なお、この発明の請求項1における酸化物イオン導電性
セラミックスにおいて、上記のREがLa,Ce,P
r,Nd,Smから選択される元素としたのは、Smよ
りイオン半径の小さな他の希土類元素であるEu,Gd
等の場合、酸化物イオンの導電率が十分に向上されない
ためである。
【0013】また、この発明においては、上記のような
酸化物イオン導電性セラミックスを製造するにあたり、
請求項2に示すように、La,Ce,Pr,Nd,Sm
から選択される少なくとも1つの希土類元素の酸化物と
二酸化ケイ素とを含む原料を所定の割合で混合した後、
この混合物を仮焼し、この仮焼物を粉砕し、成形した
後、この成形物を1700℃以上の温度で焼成するよう
にしたのである。
【0014】そして、この請求項2に示すようにして酸
化物イオン導電性セラミックスを製造すると、上記のよ
うに低温域においても酸化物イオンの導電率が高く、十
分な機械的強度を持つと共に高い緻密性の組織を有する
請求項1の酸化物イオン導電性セラミックスが得られ
る。
【0015】ここで、上記の希土類元素の酸化物として
は、La2 3 ,CeO2 ,Pr611,Nd2 3
Sm2 3 を使用することができ、また二酸化ケイ素と
しては、沈降性シリカ,シリカゲル,結晶性シリカなど
を使用することができる。
【0016】また、上記のように希土類元素の酸化物と
二酸化ケイ素とを含む原料を混合させた混合物を仮焼す
るにあたっては、一般に1000〜1300℃の温度で
行なうようにする。
【0017】また、このように仮焼した仮焼物を粉砕し
て成形した後、この成形物を1700℃以上の温度で焼
成するにあたっては、請求項3に示すように、安定化ジ
ルコニア焼結体を主成分とする焼成治具上にて1700
〜1900℃の範囲の温度で焼成することが好ましい。
【0018】そして、このように安定化ジルコニア焼結
体を主成分とする焼成治具上において1700〜190
0℃の範囲の温度で焼成すると、焼成物が上記の焼成治
具と反応するということがなく、低温域における酸化物
イオンの導電率が高く、より十分な機械的強度を持つと
共に、高い緻密性の組織を有する酸化物イオン導電性セ
ラミックスが得られ、特に、1750〜1850℃の範
囲の温度で焼成すると、より低温域における酸化物イオ
ンの導電率が高い酸化物イオン導電性セラミックスが得
られるようになる。
【0019】
【実施例】次に、この発明に係る酸化物イオン導電性セ
ラミックス及びその製造方法について実施例を挙げて具
体的に説明すると共に、比較例を挙げ、この発明の実施
例に係る酸化物イオン導電性セラミックスが高い酸化物
イオン導電性を有することを明らかにする。なお、この
発明における酸化物イオン導電性セラミックス及びその
製造方法は下記の実施例に示したものに限定されるもの
ではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更
して実施できるものである。
【0020】(実施例1〜5及び比較例1,2)これら
の実施例1〜5及び比較例1,2においては、その原料
として、純度99.9%以上のLa2 3 ,CeO2
Pr6 11,Nd2 3 ,Sm2 3 ,Eu2 3 ,G
2 3 の希土類酸化物と、二酸化ケイ素SiO2 とし
て試薬級の沈降性シリカを使用した。
【0021】そして、上記の各希土類酸化物とSiO2
とを、それぞれ希土類元素とSiとのモル比が10:6
になるように配合し、これらをボールミルを使用してア
ルコール中にて混練した後、この混練物を乾燥し、その
後、これらをそれぞれ1200℃で仮焼した。次いで、
各仮焼物をそれぞれボールミルにおいてアルコール中で
粉砕して微粉末とし、得られた各微粉末にそれぞれバイ
ンダーとしてポリビニルアルコールを添加してスプレー
造粒した。
【0022】次に、このようにして得た各造粒物をそれ
ぞれ100MPaでペレット状に加圧成形し、これらを
それぞれマグネシア安定化ジルコニア(ZrO2
0.915 (MgO20.085 で構成された焼成治具上にお
いて、下記の表1に示す焼成温度で焼成し、同表に示す
組成式になった実施例1〜5及び比較例1,2の各酸化
物イオン導電性セラミックスを作製した。このように焼
成した場合、各酸化物イオン導電性セラミックスは16
50℃付近の温度以上で緻密化が認められ始めた。な
お、表1に示した上記の焼成温度は、各酸化物イオン導
電性セラミックスにおいて最も高い密度が得られた温度
である。
【0023】ここで、このようにして得た実施例1〜5
及び比較例1,2の各酸化物イオン導電性セラミックス
を粉末X線回折によって測定した結果、実施例1〜5及
び比較例1,2の各酸化物イオン導電性セラミックスに
おいては、その主構成相の結晶構造が、図1に示すよう
なアパタイト結晶構造になっており、空間群がP63
m、REx (SiO4 6 1.5x-12(8≦x≦9.3
3)のアパタイト組成で、少量のRE2 SiO5 の回折
ピークも観測された。なお、その他に、粉末X線回折で
測定できない微量のいくつかの結晶質といくつかのガラ
ス成分質も存在するものと考えられる。
【0024】そして、これらの各酸化物イオン導電性セ
ラミックスにおける酸化物イオンの導電は、SiO4
四面体と6hと4fサイトに位置する希土類元素により
作られた2aサイトにおいて起こっているものと考えら
れる。
【0025】次に、上記の各酸化物イオン導電性セラミ
ックスの両面に白金ペーストを塗布し、1000℃で焼
き付けて電極を形成した後、加熱炉中で温度を変化さ
せ、インピーダンスメーターにて周波数100Hz〜1
0MHzで複素インピーダンス解析を行ない、各酸化物
イオン導電性セラミックスについて、全抵抗成分(粒内
抵抗+粒界抵抗)から導電率G(S/cm)を求めて、
温度の変化に伴う導電率Gの変化の状態を図2に示すと
共に、200℃と300℃における導電率Gを下記の表
1に示し、さらにこの表1に各酸化物イオン導電性セラ
ミックスの酸化物イオン導電に関する活性化エネルギー
E(kJ/mol)を示した。
【0026】ここで、上記の図2はアレニウスプロット
であり、絶対温度(K)の逆数を横軸に、縦軸には導電
率Gと絶対温度Tの積を対数で示した。なお、これらの
関係は下記のアレニウスの式で示される。
【0027】GT=G0 exp(−E/kT) G0 :伝導因子、E:活性化エネルギー、k:ボルツマ
ン定数
【0028】
【表1】
【0029】この結果、酸化物イオン導電性セラミック
スにおける希土類元素が、La,Ce,Pr,Nd,S
mで構成された実施例1〜5の各酸化物イオン導電性セ
ラミックスは、Smよりイオン半径の小さな他の希土類
元素であるEu,Gdで構成された比較例1,2の各酸
化物イオン導電性セラミックスに比べて、低温域におけ
る酸化物イオンの導電率が高くなっていた。
【0030】(比較例3,4)これらの比較例において
は、一般に使用されている高い導電性を示す酸化物イオ
ン導電性セラミックスを用いるようにし、比較例3では
(ZrO2 0.92(Yb2 3 0.08を、比較例4では
(Bi2 3 0.75(Y2 3 0.25を用いた。なお、
これらの酸化物イオン導電性セラミックスの作製は、公
知の酸化物混合法で行なった。
【0031】そして、比較例3,4の酸化物イオン導電
性セラミックスについても、上記の実施例1〜5及び比
較例1,2の場合と同様にして、温度の変化に伴う導電
率(S/cm)の変化の状態を図2に合わせて示した。
【0032】この結果、上記の実施例1〜5の各酸化物
イオン導電性セラミックスは、高い導電性を示す酸化物
イオン導電性セラミックスである比較例3の(Zr
2 0. 92(Yb2 3 0.08に匹敵する以上の高い導
電性を示しており、また実施例1〜4の各酸化物イオン
導電性セラミックスは、300℃以下の低温域における
導電率が、現在知られている低温域で最も高い導電性を
示す酸化物イオン導電性セラミックスである比較例4の
(Bi2 3 0.75(Y2 3 0.25よりも高くなって
おり、特に、(La2 3 5 (SiO2 6 の組成か
らなる実施例1の酸化物イオン導電性セラミックスは、
200℃の導電率が1.3×10-5S/cmであって、
上記の比較例4の酸化物イオン導電性セラミックスより
も13倍高い導電率を示した。
【0033】次に、(La2 3 5 (SiO2 6
組成からなる実施例1の酸化物イオン導電性セラミック
スと、(ZrO2 0.92(Yb2 3 0.08の組成から
なる比較例3の酸化物イオン導電性セラミックスと、
(Bi2 3 0.75(Y2 30.25の組成からなる比
較例4の酸化物イオン導電性セラミックスとを用いて、
それぞれ濃淡電池セルを作製した。
【0034】ここで、濃淡電池セルを作製するにあたっ
ては、各酸化物イオン導電性セラミックスの両面に白金
ペーストを塗布し、これを900℃で焼き付けて多孔性
の白金電極を形成した。
【0035】そして、このように作製した各濃淡電池セ
ルの一方を、0.21atmの空気圧にしてO2 濃度P
oを一定にする一方、もう一方のO2 濃度Pを1×10
-4〜0.21atmの空気圧の範囲で変化させ、400
〜700℃の温度において得られる起電力EMFを測定
し、得られた起電力変化率(mV/decade)とネ
ルンスト式から求めた反応電子数nを、理論値と合わせ
て下記の表2に示した。
【0036】EMF=(RT/nF)ln(P/Po) R:気体定数、F:ファラデー定数、T:絶対温度、
n:反応電子数
【0037】
【表2】
【0038】この結果、比較例3の酸化物イオン導電性
セラミックスを用いて作製した濃淡電池セルにおいては
500℃の温度で、比較例4の酸化物イオン導電性セラ
ミックスを用いて作製した濃淡電池セルにおいては60
0℃の温度で理論値に対応した値になっていたのに対し
て、実施例1の酸化物イオン導電性セラミックスを用い
て作製した濃淡電池セルにおいては450℃の低い温度
で理論値に対応した値になっており、低い温度で酸素セ
ンサとして機能した。
【0039】また、上記の実施例1及び比較例3,4の
各酸化物イオン導電性セラミックスをそれぞれ3×4×
40mmの大きさに加工し、これらの各酸化物イオン導
電性セラミックスについてJIS R 1601に基づ
いて3点曲げ強さを測定し、その結果を下記の表3に示
した。
【0040】
【表3】
【0041】この結果、(La2 3 5 (SiO2
6 の組成からなる実施例1の酸化物イオン導電性セラミ
ックスにおいては、その3点曲げ強さが(ZrO2
0.92(Yb2 3 0.08の組成からなる比較例3の酸化
物イオン導電性セラミックスに比べると低くなっていた
が、(Bi2 3 0.75(Y2 3 0.25の組成からな
る比較例4の酸化物イオン導電性セラミックスの2倍の
100MPa以上であり、反応焼結窒化ケイ素セラミッ
クスの強度に匹敵し、酸素センサなどのデバイスに使用
する場合において充分な強度を有していた。
【0042】(実施例6〜8及び比較例5,6)これら
の実施例6〜8及び比較例5,6においては、上記の実
施例1の場合と同様に、純度99.9%以上のLa2
3 からなる希土類酸化物と、二酸化ケイ素SiO2 とし
て試薬級の沈降性シリカとを使用した。
【0043】そして、これらの実施例6〜8及び比較例
5,6においては、配合させるLaとSiとのモル比を
上記の実施例1の場合と変更させると共に、下記の表4
に示す焼成温度で焼成させるようにし、それ以外は、上
記の実施例1の場合と同様にして、同表に示す組成式に
なった実施例6〜8及び比較例5,6の各酸化物イオン
導電性セラミックスを作製した。
【0044】そして、このようにして得た実施例6〜8
及び比較例5,6の各酸化物イオン導電性セラミックス
について、上記の実施例1〜5及び比較例1,2の場合
と同様にして、その主構成相の結晶構造を調べ、その結
果を下記の表4に示すと共に、各酸化物イオン導電性セ
ラミックスの両面に多孔性の白金電極を形成し、全抵抗
成分(粒内抵抗+粒界抵抗)から導電率G(S/cm)
を求め、温度の変化に伴う導電率Gの変化の状態を図3
に示し、また200℃と300℃における導電率Gを下
記の表4に示した。
【0045】
【表4】
【0046】この結果、酸化物イオン導電性セラミック
スにおける主構成相の結晶構造がアパタイト構造になっ
ている実施例6〜8の各酸化物イオン導電性セラミック
スは、酸化物イオン導電性セラミックスにおける主構成
相の結晶構造がアパタイト構造になっていない比較例
5,6の各酸化物イオン導電性セラミックスに比べて、
低温域における酸化物イオンの導電率が高くなってい
た。
【0047】(実施例9〜12及び比較例7〜9)これ
らの実施例9〜12及び比較例7〜9においては、上記
の実施例1の場合と焼成温度だけを下記の表5に示すよ
うに変更させ、それ以外は、上記の実施例1の場合と同
様にして、(La2 3 5 (SiO2 6 の組成から
なる各酸化物イオン導電性セラミックスを作製した。そ
して、これらの実施例9〜12及び比較例7〜9の各酸
化物イオン導電性セラミックスについて、その主構成相
の結晶構造を調べたところ、上記の実施例1の場合と同
じアパタイト構造になっていた。
【0048】次に、これらの実施例9〜12及び比較例
7〜9の各酸化物イオン導電性セラミックスの両面に多
孔性の白金電極を形成し、全抵抗成分(粒内抵抗+粒界
抵抗)から導電率G(S/cm)を求め、200℃と3
00℃における各導電率Gと活性化エネルギーE(kJ
/mol)とを上記の実施例1のものと合わせて下記の
表5に示した。
【0049】
【表5】
【0050】この結果、(La2 3 5 (SiO2
6 の組成からなる酸化物イオン導電性セラミックスを得
るにあたり、その焼成温度を1700℃以上にした実施
例1,9〜12の各酸化物イオン導電性セラミックス
は、その焼成温度が1700℃未満の比較例7〜9の各
酸化物イオン導電性セラミックスに比べて、低温域での
酸化物イオンの導電率が高くなっていた。
【0051】
【発明の効果】以上詳述したように、この発明の請求項
1における酸化物イオン導電性セラミックスは、170
0℃以上の温度で焼成された(RE2 3 x (SiO
2 6(REはLa,Ce,Pr,Nd,Smから選択
される元素であり、xは3.5<x<6の条件を満た
す。)を主成分とする焼結体であって、その主構成相が
アパタイト結晶構造になっているため、低温域において
も酸化物イオンの導電率が高く、十分な機械的強度を持
つと共に、高い緻密性の組織を有し、酸素センサや固体
電池などの電気化学デバイスなどの用途において優れた
特性を発揮することができるようになった。
【0052】また、この発明の請求項2に示すように、
La,Ce,Pr,Nd,Smから選択される少なくと
も1つの希土類元素の酸化物と二酸化ケイ素とを含む原
料を所定の割合で混合した後、この混合物を仮焼し、こ
の仮焼物を粉砕して成形した後、この成形物を1700
℃以上の温度で焼成すると、上記のように低温域におい
ても酸化物イオンの導電率が高く、十分な機械的強度を
持つと共に、高い緻密性の組織を有する酸化物イオン導
電性セラミックスが得られるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】アパタイト結晶構造を示した図である。
【図2】実施例1〜5及び比較例1,2の各酸化物イオ
ン導電性セラミックスの両面に電極を形成して測定した
アレニウスプロットを示した図である。
【図3】実施例6〜8及び比較例5,6の各酸化物イオ
ン導電性セラミックスの両面に電極を形成して測定した
アレニウスプロットを示した図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1700℃以上の温度で焼成された(R
    2 3 x (SiO2 6 (REはLa,Ce,P
    r,Nd,Smから選択される元素であり、xは3.5
    <x<6の条件を満たす。)を主成分とする焼結体であ
    って、その主構成相がアパタイト結晶構造であることを
    特徴とする酸化物イオン導電性セラミックス。
  2. 【請求項2】 La,Ce,Pr,Nd,Smから選択
    される少なくとも1つの希土類元素の酸化物と二酸化ケ
    イ素を含む原料を所定の割合で混合した後、この混合物
    を仮焼し、この仮焼物を粉砕し、成形した後、この成形
    物を1700℃以上の温度で焼成することを特徴とする
    酸化物イオン導電性セラミックスの製造方法。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載した酸化物イオン導電性
    セラミックスの製造方法において、上記の成形物を安定
    化ジルコニア焼結体を主成分とする焼成治具上にて17
    00〜1900℃の範囲の温度で焼成することを特徴と
    する酸化物イオン導電性セラミックスの製造方法。
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