プロトン伝導体を超える超高速酸化物イオン伝導を実現「過剰酸素なのに酸素空孔拡散で伝導」

• イオン伝導層を臭化物イオン（Br^-）層でサンドイッチする（挟む）材料設計により、233℃で世界最高レベルの酸化物イオン伝導度10 mS cm^-1を示す新材料Bi _1.9 Te _0.1 LaO _4.05 Brを創製
• 「過剰酸素を持つ材料では、格子間酸素を介して玉突きのように酸化物イオン（O^2-）が移動する」という従来の考え方を覆し、酸素空孔を介したO^2-拡散を実証
• 高い酸化物イオン伝導性に加え、化学膨張がほとんどなく、酸化・還元雰囲気やCO₂雰囲気で高い安定性を示すなど、優れた特性を実証
• 次世代の低温作動SOFC/SOECや酸素分離膜などにつながる新しい酸化物イオン伝導体を開発し、新分野「酸化物イオニクス」が始まると期待

　東京科学大学（Science Tokyo） 理学院 化学系の八島正知教授、兼則祐輔大学院生（研究当時）、宇田川英寿大学院生（修士課程2年）、齊藤馨助教、作田祐一特任助教（現 熊本大学 産業ナノマテリアル研究所 助教）、藤井孝太郎助教（現 法政大学生命科学部 准教授）、九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所（I²CNER）／大学院工学研究院の石原達己教授ら、英国インペリアル・カレッジ・ロンドン 材料専攻のスキナー・スティーブン教授、高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所／J-PARCセンターの森一広教授らの国際共同研究グループは、「Norby gap（ノルビーギャップ、用語1）」と呼ばれる温度・イオン伝導度領域において、233℃で10 mS cm⁻¹という世界最高レベルの酸化物イオン伝導度（用語2）を示す新しいSillénオキシ臭化物Bi_1.9Te_0.1LaO_4.05Br（用語3）を発見しました（概念図参照）。この材料の伝導度は従来の酸化物イオン伝導体の伝導度だけではなく、低温で高い伝導度を示す代表的なプロトン伝導体のプロトン（H⁺、水素イオン）伝導度（用語4）をも上回りました。本研究の特徴は、従来の酸化物を用いた電解質とは異なり、ビスマスを含む高いO2−伝導性三重蛍石類似層（用語5）を臭化物イオン層でサンドイッチした（挟んだ）Sillénオキシ臭化物を利用した点にあります。この構造により、酸化物イオン伝導性の向上と高い安定性を同時に実現しました。
　さらに、中性子回折（用語6）実験、第一原理計算と第一原理分子動力学（AIMD、用語7）シミュレーションを組み合わせることで、この材料では過剰酸素を含むにもかかわらず、酸化物イオンが酸素空孔（用語8）を介して移動することを明らかにしました。これは、これまで広く受け入れられてきた「過剰酸素を有する酸化物イオン伝導体は準格子間機構（用語9）で伝導する」という考え方を覆す成果です。この発見は、これまで十分に活用されてこなかった「過剰酸素と酸素空孔の共存」を新たな材料設計の手段として捉えることにつながります。
　さらに、この材料は伝導度が高い200～300℃において、強い還元雰囲気から酸化雰囲気で高い電気化学的安定性と化学的安定性、CO₂雰囲気下で高い化学的安定性を示す。その上、プロトン伝導体やセリア系材料で問題となる化学膨張も検出されなかった。この材料は低温作動SOFCなど次世代の電気化学デバイスへの応用を可能にするだけでなく、新分野「酸化物イオニクス」と新しい超高速酸化物イオン伝導体の時代を切り開くと期待される。
　本研究成果は、2026年10月14日（現地時間）に国際学術誌「Nature Communications」電子版に掲載されました。

（1） Norby gap（ノルビーギャップ）：酸化物イオン伝導体、プロトン伝導体いずれも十分に高いイオン伝導度を示さない図1の灰色の温度と伝導度の領域。本研究では、この未開拓の温度領域で世界最高レベルの酸化物イオン伝導を実現した。

（2） 酸化物イオン伝導度：外部電場を印加したとき酸化物イオン（O^2-）が伝導する物質を酸化物イオン伝導体（酸素イオン伝導体とも）という。この酸化物イオンが伝導することによる電気伝導度を酸化物イオン伝導度という。酸化物イオン伝導体には、純酸化物イオン伝導体や酸化物イオン-電子混合伝導体などがある。

（3）Sillénオキシ臭化物Bi_1.9Te_0.1LaO_4.05Br：オキシ臭化物（oxybromide）とは酸素および臭素を含む物質、オキシハライドとは酸素およびハロゲンを含む物質を指す。ビスマス、テルル、ランタン、酸素および臭素から構成されるBi_1.9Te_0.1LaO_4.05Brは、本研究で初めて報告された物質で、Sillénオキシ臭化物の1つであり、Sillénオキシハライドの1つでもある。

（4）プロトン（H⁺、水素イオン）伝導度：プロトンが伝導することによる電気伝導度。

（5）三重蛍石類似層：層状化合物の結晶構造に含まれる、3つの陽イオン層を含む蛍石類似層（蛍石型化合物に原子配列が類似した層）。Bi_1.9Te_0.1LaO_4.05Brにおける三重蛍石類似層は3つの陽イオン層、Bi/Te層、La層、Bi/Te層を持つ。

（6）中性子回折：数～数十Åの周期で原子が規則的に配列する結晶は、X線や中性子によって回折現象を起こす。得られる回折データは結晶構造の情報を含んでおり、解析することで結晶内の原子配列などを明らかにすることができる。X線は電子により散乱されるので、重元素のコントラストが高い。一方、中性子では重元素と酸素などの軽元素の両方を含む物質における軽元素のコントラストが相対的に高いことが多いので、軽元素の原子の原子座標、占有率と原子変位パラメータを正確に決めることができる。また、原子変位パラメータにより異方性熱振動を調べることが可能である。本研究の中性子回折実験は、J-PARCセンター（大強度陽子加速器施設）内の物質・生命科学実験施設（MLF）SuperHRPDとiMATERIAを用いて行われた。

（7）第一原理分子動力学計算（AIMD）：実験データなどの経験パラメータを用いずに、計算対象となる原子の種類と数および初期配置を用いて、量子力学に基づいて電子状態を計算することで、原子間に働く力を見積もり、物質における原子の運動や物質の性質を調べる計算。

（8）酸素空孔：結晶において、酸素原子が存在すべきであるのに原子が存在しない位置。

（9）準格子間機構：イオン結晶では正規の格子位置（格子席）に存在するイオンが充填しているが、充填した格子イオンの空隙位置（席）の一部にイオンが存在する物質がある。この空隙位置を格子間席と呼ぶ。格子間席に存在する酸素原子を格子間酸素と呼ぶ。イオンが格子席を経由せずに、格子間席から格子間席に直接移動して拡散する機構を格子間機構と呼ぶ。一方、格子席のイオンが格子間席に移動するのと同時に、その格子間席に存在したイオンが別の格子席に移動するという、2個のイオンの協調的な移動による拡散機構を準格子間機構と呼ぶ。格子間機構ではイオンが格子席を介さずに移動するのに対し、準格子間機構では格子間席と格子席を介してイオンが移動する。準格子間機構はプッシュプル（push-pull）機構またはキックオフ（kick-off）機構とも呼ばれる。

掲載誌：Nature Communications
論文タイトル：Vacancy-mediated ultrafast oxide-ion conduction in excess-oxygen Sillén oxybromides（過剰酸素シレンオキシ臭化物における空孔を介した超高速酸化物イオン伝導）
著者：Yusuke Kanenori（兼則祐輔）、Hidetoshi Udagawa（宇田川英寿）、 Kei Saito（齊藤馨）、Yuichi Sakuda（作田祐一）、Kotaro Fujii（藤井孝太郎）、Maksymilian Kluczny、Mudasir A. Yatoo、 Kazuhiro Mori（森一広）、Tatsumi Ishihara（石原達己）、Stephen J. Skinner、Masatomo Yashima* （八島正知）　*責任著者
DOI：10.1038/s41467-026-77848-8

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カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所（I2CNER）／大学院工学研究院　石原達己　教授