WO2023013497A1 - ヒドリドイオン伝導体 - Google Patents

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喜丈 戸田
耕太 山田
直喜 松井
グワンヂョン ジャン
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Definitions

  • the present invention relates to hydride ion conductors.
  • Hydride ions which are composed of a hydrogen atom and two electrons, are lighter than lithium ions and have many characteristics such as an ionic radius equivalent to that of fluoride ions (F ⁇ ). are attractive charge carriers.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 So far, several hydride ion conductors exhibiting high ionic conductivity have been reported (for example, Non-Patent Documents 1 and 2).
  • Keiga Fukui, et al. "Characteristic fast H-ion conduction in oxygen-substituted lanthanum hydride", Nature Communications, (2019) 10: 2578 Maarten C.I. Verbraeken, et al. , "High H-ionic conductivity in barium hydride", nature materials, vol. 14, p. 95-p. 100, January, 2015
  • Conventional hydride ion conductors have problems in terms of stability. That is, conventional hydride ion conductors have the problem of being rapidly decomposed when exposed to the atmospheric environment.
  • the present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide a hydride ion conductor that is more stable in an atmospheric environment.
  • a hydride ion conductor The general formula is MAMBH 4-x F x (1)
  • MA is selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba
  • MB is selected from the group consisting of Mg and Ca and, unlike MA, Hydride ion conductors are provided wherein 0 ⁇ x ⁇ 4.
  • a hydride ion conductor has a BaZnF4 -type structure, A hydride ion conductor having a conductivity of 10 ⁇ 5 S/cm or more at 300° C. is provided.
  • the present invention can provide a more stable hydride ion conductor in an atmospheric environment.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the crystal structure of a hydride ion conductor according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a reference diagram collectively showing the temperature dependence of conductivity of BaH 2 , LaH 1.92 O 0.54 , La 0.6 Sr 1.4 LiH 1.6 O 2 , and SrMgH 4
  • FIG. FIG. 2 is a diagram summarizing the temperature dependence of the conductivity of SrMgH 4-x F x -based materials, which is a type of hydride ion conductor according to one embodiment of the present invention.
  • 1 is a diagram schematically showing the flow of a method for manufacturing a hydride ion conductor according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram showing X-ray diffraction results after exposure to air of a hydride ion conductor (Sample 1) according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram showing X-ray diffraction results before and after air exposure of a hydride ion conductor (Sample 2) according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram showing X-ray diffraction results before and after air exposure of a hydride ion conductor (Sample 3) according to an embodiment of the present invention
  • 4 is a graph showing the temperature dependence of conductivity of a hydrid ion conductor (Sample 2) according to one embodiment of the present invention.
  • 4 is a graph showing the temperature dependence of the conductivity of a hydrid ion conductor (Sample 3) according to one embodiment of the present invention.
  • a hydride ion conductor In one embodiment of the invention, a hydride ion conductor, The general formula is MAMBH 4-x F x (1) Formula is represented by here, MA is selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba; MB is selected from the group consisting of Mg and Ca and, unlike MA, Hydride ion conductors are provided wherein 0 ⁇ x ⁇ 4.
  • a hydride ion conductor has a BaZnF4 -type structure, A hydride ion conductor having a conductivity of 10 ⁇ 5 S/cm or more at 300° C. is provided.
  • a hydride ion conductor according to one embodiment of the present invention has a BaZnF4 - type structure.
  • FIG. 1 schematically shows the crystal structure of BaZnF4 , which is the structure of the hydride ion conductor according to one embodiment of the present invention.
  • a hydride ion conductor according to an embodiment of the present invention has significantly higher stability in an atmospheric environment than conventional hydride ion conductors.
  • the hydride ion conductor according to one embodiment of the present invention does not lose its conductivity at 300°C even after being left in the atmosphere for one week.
  • SrMgH4 -xFx system In the material SrMgH 4 having a BaZnF 4 -type structure, a SrMgH 4-x F x- based material is obtained by substituting a portion of the hydrogen atoms (H) with fluorine atoms (F).
  • x is preferably 1 or more. Also, if the value of x is 3 or less, good conductivity of the SrMgH 4-x F x- based material can be obtained.
  • Fig. 2 summarizes the temperature dependence of conductivity in various hydride ion conductors.
  • FIG. 2 shows the temperature dependence of BaH 2 , LaH 1.92 O 0.54 , La 0.6 Sr 1.4 LiH 1.6 O 2 and SrMgH 4 .
  • FIG. 3 summarizes the temperature dependence of the conductivity of SrMgH 4-x F x- based materials.
  • (i) is SrMgH4 material
  • (ii) is SrMgH3F1 material
  • (iii) is SrMgH2F2 material
  • (iv) is SrMgH1F3 material
  • (v) is SrMgF4 material. behavior.
  • the conductivity of the SrMgH 4-x F x -based material at 300° C. is preferably greater than or equal to 10 ⁇ 5 S/cm.
  • BaMgH 4-x F x system In the material BaMgH 4 having a BaZnF 4 type structure, a BaMgH 4-x F 2 -based material is obtained by substituting some of the hydrogen atoms (H) with fluorine atoms (F).
  • x is 3 or less.
  • x is in the range of 1-3.
  • FIG. 4 schematically shows the flow of the method for producing a hydrid ion conductor according to one embodiment of the present invention.
  • a method for producing a hydride ion conductor comprises: (i) a step of mixing predetermined raw materials to prepare a mixed powder (step S110); (ii) heat-treating the mixed powder (step S120); have
  • each step is performed under a non-air atmosphere such as an inert gas atmosphere or a hydrogen atmosphere.
  • Step S110 First, raw materials are prepared.
  • raw materials for example, hydrides of metal MA and MB, and fluorides of metal MA and metal MB are used.
  • SrH 2 powder, MgH 2 powder, SrF 2 powder, MgF 2 powder, etc. may be used when manufacturing a SrMgH 4-x F x -based hydride ion conductor.
  • BaH 2 powder, MgH 2 powder, BaF 2 powder, MgF 2 powder, etc. may be used when manufacturing a BaMgH 4-x F x -based hydride ion conductor.
  • Each raw material may be sufficiently mixed using a ball mill device or the like.
  • the obtained mixed powder may be molded.
  • the hydride ion conductor can be provided as a molded body.
  • Step S120 The resulting mixed powder is then heat treated at a high temperature to produce a hydride ion conductor.
  • a cubic anvil high pressure apparatus may be used for this process.
  • a cube called a pyrophyllite cell is used, and the inside of this cell is filled with mixed powder. After that, by generating ultra-high hydrostatic pressure with a cubic anvil high-pressure device, it is possible to isotropically pressurize the six surfaces of the pyrophyllite cell installed inside.
  • the pressure applied to the pyrophyllite cell is, for example, in the range of 1 GPa to 6 GPa.
  • the treatment temperature is, for example, in the range of 500°C to 1000°C.
  • the hydride ion conductor according to one embodiment of the present invention can be produced.
  • step S120 does not necessarily have to be performed. That is, the hydride ion conductor according to one embodiment of the present invention may be provided in the form of mixed powder.
  • the above manufacturing method is merely an example, and the hydride ion conductor according to one embodiment of the present invention may be manufactured by another manufacturing method.
  • a sample of the hydride ion conductor was prepared by the following method. Also, the characteristics of the produced samples were evaluated. In the following description, Examples 1 to 3 are examples, and Examples 11 and 12 are comparative examples.
  • Example 1 A sample for evaluation was produced by the following method.
  • the particle size of the SrH 2 powder is 0.1-200 ⁇ m
  • the particle size of the MgH 2 powder is 0.1-200 ⁇ m
  • the particle size of the MgF 2 powder is 0.1-200 ⁇ m.
  • H:F 3:1 (molar ratio).
  • the obtained mixed powder was put into a planetary ball mill device (containing zirconia balls) and ground and mixed at room temperature.
  • the rotation speed was 600 rpm, and the treatment time was 48 hours.
  • sample 1 a hydride ion conductor
  • Example 2 A hydride ion conductor was produced in the same manner as in Example 1. However, in Example 2, H:F in the mixed powder was 2:2 (molar ratio). Other conditions are the same as in Example 1.
  • sample 2 a hydride ion conductor (hereinafter referred to as “sample 2”) was produced.
  • Example 3 A hydride ion conductor was produced in the same manner as in Example 1. However, in Example 3, H:F in the mixed powder was 1:3 (molar ratio). Other conditions are the same as in Example 1.
  • sample 3 a hydride ion conductor
  • Example 11 A hydride ion conductor was produced in the same manner as in Example 1. However, in Example 11, a mixed powder was prepared without adding MgF 2 powder. The composition of the mixed powder is SrMgH4 in stoichiometric ratio. Other conditions are the same as in Example 1.
  • sample 11 a hydride ion conductor (hereinafter referred to as “sample 11") was produced.
  • Example 12 A sample was prepared in the same manner as in Example 1. However, in Example 11, 1.337 g of SrF 2 powder and 0.663 g of MgF 2 powder were weighed and mixed in an Ar atmosphere to prepare a mixed powder. No hydride was added to the feed. The composition of the mixed powder is stoichiometric SrMgF4 . Other conditions are the same as in Example 1.
  • Example 12 a sample (hereinafter referred to as “Sample 12") was produced.
  • X-ray diffraction analysis X-ray diffraction analysis of each sample was performed using a desktop X-ray diffraction analyzer (MiniFlex600; manufactured by RIGAKU). The measurement before exposure to air was performed in an argon atmosphere, and the measurement after exposure to air was performed in an air atmosphere.
  • AC impedance measurement Each sample was molded to produce a compact having a diameter of about 6 mm ⁇ and a thickness of about 2 mm. Gold electrodes were brought into contact with both bottom surfaces of this compact, and AC impedance was measured using an atmosphere control measurement cell.
  • the VSP-300 (Biologic Inc.) was used as the measurement device.
  • the measurement frequency was 1 Hz to 7 MHz, and the applied AC voltage was 50 to 500 mV. Measurements were performed in a hydrogen atmosphere. Conductivity was calculated from the measurement results (cole-cole-plot).
  • Sample 11 began to decompose immediately after being exposed to the atmosphere, and deteriorated very quickly.
  • Samples 1 to 3 started to deteriorate later than Sample 11 and were relatively stable.
  • Samples 2 and 3 showed almost no deterioration even after one week of exposure to the atmosphere.
  • FIG. 5 shows the X-ray diffraction analysis results of Sample 1.
  • 6 and 7 show the X-ray diffraction analysis results of samples 2 and 3, respectively.
  • the X-ray diffraction analysis results of Sample 1 were measured one hour after being exposed to the atmosphere.
  • the X-ray diffraction analysis results of samples 2 and 3 were measured one week after opening to the atmosphere. It should be noted that sample 11 could not be subjected to X-ray diffraction analysis because it started to decompose immediately after being exposed to the atmosphere.
  • Figures 6 and 7 simultaneously show the results of X-ray diffraction analysis before opening to the atmosphere.
  • FIG. 3 shows the temperature dependence of the conductivity obtained in Sample 1 before being exposed to the atmosphere.
  • FIG. 3 shows the temperature dependence of the conductivity obtained in Sample 2 before opening to the atmosphere, and (iv) in FIG. The temperature dependence of the obtained conductivity is shown.
  • FIG. 3 shows the temperature dependence of the conductivity obtained in the sample 11 before opening to the atmosphere, and (v) in FIG. temperature dependence of degrees.
  • the conductivity at each temperature was lowest in sample 12, and increased in order of sample 3, sample 2, sample 1, and sample 11.
  • FIG. 8 shows the temperature dependence of conductivity obtained after sample 2 was exposed to the atmosphere. For comparison, FIG. 8 also shows the results measured before atmospheric exposure (ie curve (iii) in FIG. 3).
  • Sample 2 maintained high conductivity even after being exposed to the atmosphere.
  • the conductivity at 300° C. after atmospheric exposure was about 10 ⁇ 7.0 S/cm.
  • FIG. 9 shows the temperature dependence of conductivity obtained after sample 3 was exposed to the atmosphere.
  • FIG. 9 also shows the results measured before atmospheric exposure (that is, curve (iv) in FIG. 3).
  • Sample 3 maintained high conductivity even after being exposed to the atmosphere.
  • the conductivity at 300° C. after atmospheric exposure was about 10 ⁇ 4.5 S/cm.
  • samples 1 to 3 were confirmed to have better atmospheric stability than sample 11.

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Abstract

ヒドリドイオン伝導体であって、一般式が MAMBH4-x (1)式 で表され、ここで、MAは、Ca、Sr、およびBaからなる群から選定され、MBは、MgおよびCaからなる群から選定され、MAとは異なり、0<x<4である、ヒドリドイオン伝導体。

Description

ヒドリドイオン伝導体
 本発明は、ヒドリドイオン伝導体に関する。
 水素原子と2個の電子で構成されるヒドリドイオン(H)は、リチウムイオンよりも軽量であり、イオン半径がフッ化物イオン(F)と同等など、多くの特徴を有し、電気化学的に魅力的な電荷担体である。
 例えば、燃料電池および二次電池などの電気化学的デバイスにおいて、従来のプロトン(H)およびリチウムイオン(Li)に代わるイオン伝導体として、ヒドリドイオン伝導体を利用した場合、新規なエネルギーデバイスを実現できる可能性がある。
 これまでに、高いイオン伝導度を示すいくつかのヒドリドイオン伝導体が報告されている(例えば、非特許文献1、2)。
Keiga Fukui,etal.,"Characteristic fast H- ion conduction in oxygen-substituted lanthanum hysride",nature communications,(2019)10:2578 Maarten C.Verbraeken,etal.,"High H- ionic conductivity in bariumu hydride",nature materials,vol.14,p.95-p.100,January,2015
 従来のヒドリドイオン伝導体は、安定性の面で問題がある。すなわち、従来のヒドリドイオン伝導体は、大気環境に暴露した場合、急激に分解してしまうという問題がある。
 従って、ヒドリドイオン伝導体を実際に電気化学的デバイスに適用するためには、大気環境下で安定なヒドリドイオン伝導体が必要となることが予想される。
 本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、大気環境においてより安定なヒドリドイオン伝導体を提供することを目的とする。
 本発明では、
 ヒドリドイオン伝導体であって、
 一般式が
 
  MAMBH4-x     (1)式
 
 で表され、
 ここで、
 MAは、Ca、Sr、およびBaからなる群から選定され、
 MBは、MgおよびCaからなる群から選定され、MAとは異なり、
 0<x<4である、ヒドリドイオン伝導体が提供される。
 また、本発明では、
 ヒドリドイオン伝導体であって、
 BaZnF型構造を有し、
 300℃における伝導度が10-5S/cm以上である、ヒドリドイオン伝導体が提供される。
 本発明では、大気環境においてより安定なヒドリドイオン伝導体を提供することができる。
本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体の結晶構造を模式的に示した図である。 BaH、LaH1.920.54、La0.6Sr1.4LiH1.6、およびSrMgHの伝導度の温度依存性をまとめて示した参考図である。 本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体の一種である、SrMgH4-x系材料の伝導度の温度依存性をまとめて示した図である。 本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体の製造方法のフローを概略的に示した図である。 本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体(サンプル1)の大気暴露後のX線回折結果を示した図である。 本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体(サンプル2)の大気暴露前後のX線回折結果を示した図である。 本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体(サンプル3)の大気暴露前後のX線回折結果を示した図である。 本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体(サンプル2)の伝導度の温度依存性を示したグラフである。 本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体(サンプル3)の伝導度の温度依存性を示したグラフである。
 以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
 (本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体)
 本発明の一実施形態では、
 ヒドリドイオン伝導体であって、
 一般式が
 
  MAMBH4-x     (1)式
 
 で表され、
 ここで、
 MAは、Ca、Sr、およびBaからなる群から選定され、
 MBは、MgおよびCaからなる群から選定され、MAとは異なり、
 0<x<4である、ヒドリドイオン伝導体が提供される。
 また、本発明の一実施形態では、
 ヒドリドイオン伝導体であって、
 BaZnF型構造を有し、
 300℃における伝導度が10-5S/cm以上である、ヒドリドイオン伝導体が提供される。
 本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体は、BaZnF型構造を有する。
 図1には、本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体が有する構造であるBaZnFの結晶構造を模式的に示す。
 本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体は、従来のヒドリドイオン伝導体に比べて、大気環境下において、有意に高い安定性を有する。
 例えば、本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体は、大気中に1週間放置しても、300℃における伝導度が低下しない。
 なお、現時点では、本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体が大気中で安定である理由は、十分に把握されていない。
 しかしながら、一般に、F原子は、カチオンと高い結合力で結合される。従って、水素(H)原子の一部がフッ素(F)原子と置換された構造を有する本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体では、このようなカチオンとアニオンの間の結合力の向上が、安定性に寄与しているものと考えられる。
 このように、本発明の一実施形態では、大気中での取り扱いが容易なヒドリドイオン伝導体を提供することができ、従来に比べて電気化学的デバイスへの適用が容易となる。
 (本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体の具体例)
 次に、前述のような特徴を有する本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体の具体例について説明する。
 (SrMgH4-x系)
 BaZnF型構造を有する材料SrMgHにおいて、水素原子(H)の一部をフッ素原子(F)に置換することにより、SrMgH4-x系材料が得られる。SrMgH4-x系材料は、前述の(1)式において、MA=Sr、MB=Mgとした場合に相当する。
 ここで、前述のように、0<x<4である。ただし、xの値が大きくなると、材料の大気安定性が向上する。従って、xは、1以上であることが好ましい。また、xの値が3以下であれば、SrMgH4-x系材料の良好な伝導度が得られる。
 図2には、参考のため、各種ヒドリドイオン伝導体における伝導度の温度依存性をまとめて示す。
 図2には、BaH、LaH1.920.54、La0.6Sr1.4LiH1.6、およびSrMgHの温度依存性が示されている。
 また、図3には、SrMgH4-x系材料の伝導度の温度依存性をまとめて示す。図3において、(i)はSrMgH材料、(ii)はSrMgH材料、(iii)はSrMgH材料、(iv)はSrMgH材料、(v)はSrMgF材料の挙動である。
 図3から、SrMgH4-x系材料において、xの値が小さくなると、SrMgH4-x系材料の伝導度が向上する傾向にあることがわかる。
 本発明の一実施形態では、300℃におけるSrMgH4-x系材料の伝導度は、10-5S/cm以上であることが好ましい。
 (BaMgH4-x系)
 BaZnF型構造を有する材料BaMgHにおいて、水素原子(H)の一部をフッ素原子(F)に置換することにより、BaMgH4-x系材料が得られる。BaMgH4-x系材料は、前述の(1)式において、MA=Ba、MB=Mgとした場合に相当する。
 前述のように、0<x<4である。xの値が3以下であれば、BaMgH4-x系材料の良好な伝導度が得られる。また、xの値が大きくなると、材料の大気安定性が向上する。xは、1~3の範囲であることが好ましい。
 (本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体の製造方法)
 以下、図4を参照して、本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体の製造方法について、簡単に説明する。
 図4には、本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体の製造方法のフローを概略的に示す。
 図4に示すように、本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体の製造方法は、
 (i)所定の原料を混合して、混合粉末を調製する工程(工程S110)と、
 (ii)混合粉末を熱処理する工程(工程S120)と、
 を有する。
 なお、本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体の製造方法において、各工程は、不活性ガス雰囲気または水素雰囲気のような、非大気雰囲気下で実施される。
 以下、各工程について説明する。
 (工程S110)
 まず、原料が準備される。
 原料としては、例えば、金属MAおよび金属MBの水素化物、ならびに金属MAおよび金属MBのフッ化物が使用される。
 例えば、SrMgH4-x系のヒドリドイオン伝導体を製造する場合、SrH粉末、MgH粉末、SrF粉末、およびMgF粉末などが使用されてもよい。あるいは、BaMgH4-x系のヒドリドイオン伝導体を製造する場合、BaH粉末、MgH粉末、BaF粉末、およびMgF粉末などが使用されてもよい。
 各原料は、ボールミル装置等を用いて十分に混合されてもよい。
 得られた混合粉末は、成形されてもよい。この場合、ヒドリドイオン伝導体を成形体として提供することができる。
 (工程S120)
 次に、得られた混合粉末が高温で熱処理され、ヒドリドイオン伝導体が製造される。
 この処理には、キュービックアンビル高圧装置が使用されてもよい。
この装置を使用する際には、パイロフィライトセルと呼ばれる立方体が使用され、このセルの内部に混合粉末が充填される。その後、キュービックアンビル高圧装置により、超高圧の静水圧を発生させることにより、内部に設置されたパイロフィライトセルの6面を等方的に加圧することができる。
 パイロフィライトセルに対する印加圧力は、例えば、1GPa~6GPaの範囲である。
 処理温度は、例えば、500℃~1000℃の範囲である。
 以上の工程により、本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体を製造することができる。
 なお、上記製造方法において、工程S120は、必ずしも実施する必要はない。すなわち、本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体は、混合粉末の形態で提供されてもよい。
 また、上記製造方法は、単なる一例であり、本発明の一実施形態によるヒドリドイオン伝導体は、別の製造方法で製造されてもよい。
 以下の方法で、ヒドリドイオン伝導体のサンプルを作製した。また、作製したサンプルの特性を評価した。なお、以下の記載において、例1~例3は、実施例であり、例11および例12は、比較例である。
 (例1)
 以下の方法により、評価用のサンプルを作製した。
 (SrMgH4-x系サンプルの作製)
 Ar雰囲気下において、1.338gのSrH粉末(三津和化学社製)と、0.197gのMgH粉末(和光純薬社製)と、0.465gのMgF粉末(三津和化学社製)とを秤量、混合し、混合粉末を調製した。
 SrH粉末の粒子径は、0.1~200μmであり、MgH粉末の粒子径は、0.1~200μmであり、MgF粉末の粒子径は、0.1~200μmである。
 混合粉末において、H:F=3:1(モル比)とした。
 得られた混合粉末を遊星ボールミル装置(含ジルコニア製ボール)に投入し、室温で粉砕、混合した。 回転数は、600rpmとし、処理時間は48時間とした。
 これにより、ヒドリドイオン伝導体(以下、「サンプル1」と称する)が作製された。
 (例2)
 例1と同様の方法により、ヒドリドイオン伝導体を作製した。ただし、この例2では、混合粉末におけるH:Fは、2:2(モル比)とした。その他の条件は、例1と同様である。
 これにより、ヒドリドイオン伝導体(以下、「サンプル2」と称する)が作製された。
 (例3)
 例1と同様の方法により、ヒドリドイオン伝導体を作製した。ただし、この例3では、混合粉末におけるH:Fは、1:3(モル比)とした。その他の条件は、例1と同様である。
 これにより、ヒドリドイオン伝導体(以下、「サンプル3」と称する)が作製された。
 (例11)
 例1と同様の方法により、ヒドリドイオン伝導体を作製した。ただし、この例11では、MgF粉末を添加せずに、混合粉末を調製した。混合粉末の組成は、化学量論比のSrMgHである。その他の条件は、例1と同様である。
 これにより、ヒドリドイオン伝導体(以下、「サンプル11」と称する)が作製された。
 (例12)
 例1と同様の方法により、サンプルを作製した。ただし、この例11では、Ar雰囲気下において、1.337gのSrF粉末と、0.663gのMgF粉末とを秤量、混合し、混合粉末を調製した。原料に、水素化物は添加しなかった。混合粉末の組成は、化学量論比のSrMgFである。その他の条件は、例1と同様である。
 これにより、サンプル(以下、「サンプル12」と称する)が作製された。
 (評価)
 (大気暴露試験)
 製造後の各サンプルを、相対湿度が50~60%の大気環境下に暴露し、サンプルの状態を観察した。
 また、大気暴露前および大気暴露後のそれぞれのサンプルを用いて、以下の評価を実施した。
 (X線回折分析)
 卓上X線回折分析装置(MiniFlex600;RIGAKU社製)を用いて、各サンプルのX線回折分析を行った。なお、大気暴露前の測定は、アルゴン雰囲気で実施し、大気暴露後の測定は、大気雰囲気で実施した。
 (交流インピーダンス測定)
 各サンプルを成形して、直径約6mmφ、厚さ約2mmの成形体を作製した。この成形体の両底面に金電極を接触させ、雰囲気制御測定セルを用いて交流インピーダンス測定を実施した。
 測定装置には、VSP-300(バイオロジック社)を用いた。測定周波数は、1Hz~7MHzとし、印加交流電圧は、50~500mVとした。測定は、水素雰囲気で実施した。測定結果(cole-cole-plot)から、伝導度を算定した。
 (結果)
 各サンプルにおいて得られた評価結果をまとめて以下の表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 大気暴露試験では、サンプル11は、大気開放直後に分解が始まり、極めて迅速に変質が生じた。一方、サンプル1~サンプル3は、サンプル11に比べて変質開始が遅く、比較的安定であった。特に、サンプル2およびサンプル3では、大気開放1週間後でも、変質はほとんど認められなかった。
 図5には、サンプル1のX線回折分析結果を示す。また、図6および図7には、それぞれ、サンプル2およびサンプル3のX線回折分析結果を示す。
 ここで、サンプル1のX線回折分析結果は、大気開放の1時間後に測定されたものである。これに対して、サンプル2およびサンプル3のX線回折分析結果は、大気開放から1週間後に測定されたものである。なお、サンプル11は、大気開放直後に分解が始まったため、X線回折分析を実施することはできなかった。
 図6および図7には、それぞれ、大気開放前のX線回折分析結果が同時に示されている。
 図6および図7から、サンプル2およびサンプル3の場合、大気暴露の前後で、相変化はほとんど生じていないことがわかった。
 前述の図3の(ii)には、大気開放前のサンプル1において得られた伝導度の温度依存性を示す。また、前述の図3の(iii)には、大気開放前のサンプル2において得られた伝導度の温度依存性を示し、前述の図3の(iv)には、大気開放前のサンプル3において得られた伝導度の温度依存性を示す。さらに、図3の(i)には、大気開放前のサンプル11において得られた伝導度の温度依存性を示し、図3の(v)には、大気開放前のサンプル12において得られた伝導度の温度依存性を示す。
 図3に示すように、各温度における伝導度は、サンプル12で最も低く、サンプル3、サンプル2、サンプル1、およびサンプル11の順に大きくなった。
 図8には、サンプル2の大気開放後に得られた伝導度の温度依存性を示す。図8には、比較のため、大気暴露前に測定された結果(すなわち図3におけるカーブ(iii))も示されている。
 この結果から、サンプル2は、大気暴露後においても、高い伝導度を維持していることがわかった。例えば、サンプル2において、大気暴露後の300℃における伝導度は、約10-7.0S/cmであった。
 図9には、サンプル3の大気開放後に得られた伝導度の温度依存性を示す。図9には、比較のため、大気暴露前に測定された結果(すなわち図3におけるカーブ(iv))も示されている。
 この結果から、サンプル3は、大気暴露後においても、高い伝導度を維持していることがわかった。例えば、サンプル3において、大気暴露後の300℃における伝導度は、約10-4.5S/cmであった。
 なお、サンプル3では、大気暴露後の300℃における伝導度は、大気暴露前の300℃における伝導度よりも上昇した。
 このように、サンプル1~サンプル3では、サンプル11に比べて良好な大気安定性を有することが確認された。
 本願は、2021年8月6日に出願した日本国特許出願第2021-130271号に基づく優先権を主張するものであり、同日本国出願の全内容を本願に参照により援用する。

Claims (3)

  1.  ヒドリドイオン伝導体であって、
     一般式が
     
      MAMBH4-x     (1)式
     
     で表され、
     ここで、
     MAは、Ca、Sr、およびBaからなる群から選定され、
     MBは、MgおよびCaからなる群から選定され、MAとは異なり、
     0<x<4である、ヒドリドイオン伝導体。
  2.  ヒドリドイオン伝導体であって、
     BaZnF型構造を有し、
     300℃における伝導度が10-5S/cm以上である、ヒドリドイオン伝導体。
  3.  一般式がSrMgH4-xまたはBaMgH4-xで表される、請求項1または2に記載のヒドリドイオン伝導体。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011204632A (ja) * 2010-03-26 2011-10-13 Tokyo Institute Of Technology ヒドリドイオン導電体およびその製造方法
JP2017098067A (ja) * 2015-11-24 2017-06-01 国立大学法人東京工業大学 ヒドリドイオン導電体およびその製造方法
JP2021130271A (ja) 2020-02-20 2021-09-09 大日本印刷株式会社 熱転写シート

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011204632A (ja) * 2010-03-26 2011-10-13 Tokyo Institute Of Technology ヒドリドイオン導電体およびその製造方法
JP2017098067A (ja) * 2015-11-24 2017-06-01 国立大学法人東京工業大学 ヒドリドイオン導電体およびその製造方法
JP2021130271A (ja) 2020-02-20 2021-09-09 大日本印刷株式会社 熱転写シート

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
EMILIO ORGAZ; JESÚS HERNÁNDEZ‐TRUJILLO: "Chemical bonding in ternary magnesium hydrides", INTERNATIONAL JOURNAL OF QUANTUM CHEMISTRY, WILEY, NEW YORK, NY, US, vol. 94, no. 3, 5 June 2003 (2003-06-05), US , pages 150 - 164, XP071302581, ISSN: 0020-7608, DOI: 10.1002/qua.10621 *
KEIGA FUKUI ET AL.: "Characteristic fast H- ion conduction in oxygen-substituted lanthanum hysride", NATURE COMMUNICATIONS, vol. 10, 2019, pages 2578
MAARTEN C. VERBRAEKEN ET AL., HIGH H- IONIC CONDUCTIVITY IN BARIUMU HYDRIDE'', NATURE MATERIALS, vol. 14, January 2015 (2015-01-01), pages 95 - 100

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