光照射で結晶中を移動する酸化物イオンを直接観測：燃料電池などの開発に新たな展開

筑波大学と東京工業大学、広島工業大学の研究グループは、特殊なセラミックス材料に光照射し、室温環境で酸化物イオンを瞬時に移動させ、それを直接観測することに成功した。研究成果は、光を用いた燃料電池や二次電池などの開発に、新たな展開をもたらすと期待されている。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

超高速時間分解電子線回折法や超高速過渡反射率法などを組み合わせ

　筑波大学と東京工業大学、広島工業大学の研究グループは2021年9月、特殊なセラミックス材料に光照射し、室温環境で酸化物イオン（酸素の陰イオン）を瞬時に移動させ、それを直接観測することに成功したと発表した。研究成果は、光を用いた燃料電池や二次電池などの開発に、新たな展開をもたらすと期待されている。

　研究グループは今回、ダブルペロブスカイト構造を持つ特殊なセラミックス材料「EuBaCo₂O_5.39」に光を照射し、結晶中で酸化物イオンが移動する様子を観測した。実験では、1兆分の1秒以下という瞬間的な移動を直接観測するために、「超高速時間分解電子線回折法」や「超高速過渡反射率法」および、光照射の影響を取り入れた「密度汎関数理論計算」を組み合わせた。

左はEuBaCo₂O_5.39結晶からの電子線回折像、中央と右はその回折スポットの時間変化 （クリックで拡大） 出典：筑波大学他

　実験に用いたEuBaCo₂O_5.39は、ヨーロピウム（Eu）イオンやバリウム（Ba）イオン、コバルト（Co）イオンおよび、酸化物（O）イオンで構成され、酸化物イオンの原子空孔が規則的に配置されている。

　この物質に波長400nmの近紫外線を照射すると、電子が酸化物イオンの2p軌道からコバルトイオンの3d軌道へと移動した。電子を受け取ったコバルトイオンは、瞬間的に不安定な状態になるが、周囲に存在する酸化物イオンの配置をひずませる「ヤーン・テラー効果」によって、全体が安定な状態になろうとする。

　この時に、酸化物イオンはひずもうとする力によって、隣にある原子空孔の位置まで移動する。この運動は極めて速く、光照射後1兆分の1秒以下で生じるという。また、酸化物イオンの構造秩序が大きく変化する中で、ダブルペロブスカイト構造自体の秩序は保たれたままとなり、光を照射することで固体中の酸化物イオンだけが移動する。

EuBaCo₂O_5.39中における光誘起酸素移動現象の概略図 （クリックで拡大） 出典：筑波大学他

　燃料電池は通常、酸素や水素を電極中で運動させるため、200〜1000℃の高温にする必要があった。今回明らかとなった、室温環境で光を照射して生じる酸化物イオンの運動は、全く新しい原理に基づく酸化物イオンの駆動方式だという。

　今回の研究成果は、筑波大学数理物質系（エネルギー物質科学研究センター）の羽田真毅准教授、東京工業大学理学院化学系の沖本洋一准教授と石川忠彦助教および、広島工業大学工学部環境土木工学科の大村訓史准教授らによるものである。