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【プレスリリース】非従来型プロトン伝導体の効率的探索手法を世界で初めて開発・実証

【プレスリリース】非従来型プロトン伝導体の効率的探索手法を世界で初めて開発・実証

九州大学エネルギー研究教育機構(Q-PIT)、稲盛フロンティア研究センターおよび大学院工学府材料物性工学専攻修士課程の清水雄太氏、兵頭潤次特任助教、山崎仁丈教授の研究グループは、大阪大学大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻の藤井進助教、ファインセラミックスセンターナノ構造研究所の桑原彰秀主席研究員と共同で、計算とデータ科学を用いてプロトン伝導性酸化物の設計指針を構築し、たった一度の実験で非従来型プロトン伝導性酸化物を複数合成することに成功しました。この材料設計指針を用いることで、プロトン伝導性酸化物やそれを利用した固体酸化物形燃料電池(SOFC)の開発が大幅に進展することが見込まれます。また、構築した探索手法を他材料へと応用することで、革新的材料開発が様々な分野で加速されることが期待されます。

研究成果

本研究グループは、ハイスループットな材料科学シミュレーションと物理解釈可能な機械学習モデルを用いることによって、ベースの化合物とドーパントの組み合わせを適切に選択し、材料中にプロトンを導入するための材料設計指針を提案しました。この設計指針に基づき、Pb添加Bi12SiO20およびSr添加Bi4Ge3O12を選択したところ、それぞれたった一度の試行で合成することに成功し、どちらも新規プロトン伝導性酸化物であることを実験的に証明しました(上の図)。特に前者は、シレナイト型構造を持つ化合物としても、14および15族の陽イオンのみから構成される化合物としても、世界で初めてのプロトン伝導性酸化物です。プロトン伝導体探索において新たなフロンティアを切り開いたと言えます

プレスリリース本文は九州大学HPよりご覧いただけます。

論文情報

掲載誌:Advanced Energy Materials, 2301892, 2023
タイトル:Discovery of Unconventional Proton-Conducting Inorganic Solids via Defect-Chemistry-Trained, Interpretable Machine Learning
著者名:Susumu Fujii, Yuta Shimizu, Junji Hyodo, Akihide Kuwabara*, and Yoshihiro Yamazaki*
DOI:10.1002/aenm.202301892

遺伝子解析における新しい量子技術:量子コンピュータによるDNA塩基分子の1分子識別

多田教授と阪大産研谷口教授により量子コンピュータを用いたDNA塩基分子の1分子識別に関する研究成果が発表されました。本成果は、従来の遺伝子解析では実現できなかった高速な1分子識別を量子コンピュータが可能にしうるという画期的な成果です。 本成果はアメリカ化学会誌 The Journal of Physical Chemistry B (ACS) に掲載されました。

Single-Molecule Identification of Nucleotides Using a Quantum Computer
多田朋史教授らの研究グループの研究成果について、8月8日の日経クロステックに掲載されました。
詳しくは日経クロステックHP「阪大と九大、量子コンピューターでDNAを構成する塩基分子から1分子の識別に成功」をご覧ください。

山崎教授の論文がカバーアートとして採用されました!

カバーアート

山崎教授と共同研究者の研究論文が、3月のジャーナルのカバーアートとして採用されました!

論文情報

掲載誌:Chemistry of Materials, 35, 6, 2289–2301, 2023
タイトル:Probing Local Environments of Oxygen Vacancies Responsible for Hydration in Scdoped Barium Zirconates at Elevated Temperatures: In Situ X-ray Absorption Spectroscopy, Thermogravimetry, and Active Learning Ab Initio Replica Exchange Monte Carlo Simulations
著者名:Kenta Hoshino, Shusuke Kasamatsu, Junji Hyodo, Kentaro Yamamoto, Hiroyuki Setoyama, Toshihiro Okajima, and Yoshihiro Yamazaki*
DOI:10.1021/acs.chemmater.2c02116

【プレスリリース】⾼性能電解質材料におけるプロトン導⼊反応の活性サイトを世界初解明

九州⼤学エネルギー研究教育機構(Q-PIT)および⼤学院⼯学府材料物性⼯学専攻の星野健太博⼠(研究当時)、兵頭潤次特任助教、⼭本健太郎特任助教(研究当時)、⼭崎仁丈教授の研究グループと⼭形⼤学学術研究院の笠松秀輔准教授は、九州シンクロトロン光研究センターの瀬⼾⼭寛之博⼠およびあいちシンクロトロン光センターの岡島敏浩副所⻑らと共同で、400℃動作固体酸化物形燃料電池(SOFC) の電解質として期待されているプロトン(H+)伝導性酸化物において、プロトン導⼊反応が起きる局所構造(活性サイト)を明らかにしました。

研究成果

本研究には、ペロブスカイト酸化物の中でも既報の中で最⾼レベルのプロトン伝導性と化学的安定性を兼ね備えたSc 置換ジルコン酸バリウムに着⽬し、放射光を⽤いたその場 ⽔和実験、スーパーコンピュータと機械学習を活⽤した⼤規模シミュレーションおよび精密熱重量分析を組み合わせることにより、⽔和反応を活性化する材料中の局所構造を多⾓的に調査しました。その結果、スカンジウム(Sc)とジルコニウム(Zr)および⼆つのSc に挟まれた酸素⽋損⽋陥が⽔和反応の局所活性サイトであることを特定し、その温度依存性を明らかにすることに成功しました。

プレスリリース本文は九州大学HPよりご覧いただけます。

論文情報

掲載誌:Chemistry of Materials, 35, 6, 2289–2301, 2023
タイトル:Probing Local Environments of Oxygen Vacancies Responsible for Hydration in Scdoped Barium Zirconates at Elevated Temperatures: In Situ X-ray Absorption Spectroscopy, Thermogravimetry, and Active Learning Ab Initio Replica Exchange Monte Carlo Simulations
著者名:Kenta Hoshino, Shusuke Kasamatsu, Junji Hyodo, Kentaro Yamamoto, Hiroyuki Setoyama, Toshihiro Okajima, and Yoshihiro Yamazaki*
DOI:10.1021/acs.chemmater.2c02116

【プレスリリース】日韓の消費者による燃料電池車・電気自動車の評価を調査

2050年カーボンニュートラル社会達成に向けて、2035年までの100%電動車化戦略を進める国が増えています。日本は電気自動車、燃料電池車ともに開発・発売で各国に先行しましたが、現在では各国の後塵を拝している状況にあります。燃料電池車の販売台数世界一となった韓国と、低迷する日本を比較し、日本や各国での普及に向けた方策を消費者意識の観点から解明する必要があります。
 九州大学エネルギー研究教育機構の吉田謙太郎教授とソウル大学Deok-Joo Lee教授、大学院生Jihyeok Jung氏は共同で、日韓における消費者調査に基づく評価研究を実施しました。

研究成果

日本と韓国では次世代車への消費者意識が乖離し、韓国の消費者は燃料電池車と従来型自動車の価格差への反応が低い傾向が明らかになりました。比較的高価なSUVが好まれる韓国と軽自動車も多い日本とでは、燃料電池車価格の値頃感に対する意識に差異が生じる可能性が示唆されました。

政策シナリオ別シミュレーションでは、購入価格補助よりも水素燃料代無償化が最も販売シェアを高めることが日韓ともに確認されました。CO2排出量を削減するための費用対効果は、韓国では購入補助金、日本では購入補助金と燃料代無償化のハイブリッド方式が高くなりました。日韓市場と消費者意識に基づく、未来の水素社会からバックキャストした技術開発とマーケティングの可能性を示す事例であり、今後の日本車市場の展開方向性を予測するために役立つことが期待されます

プレスリリース本文は九州大学HPよりご覧いただけます。

論文情報

掲載誌:Transportation Research Part D: Transport and Environment
タイトル:Comparison between Korean and Japanese consumersʼ preferences for fuel cell electric vehicles
著者名:Jihyeok Jung, Deok-Joo Lee, Kentaro Yoshida
DOI:10.1016/j.trd.2022.103511

【プレスリリース】材料の界面歪みとプロトン伝導度を関連づける定量モデルの構築に成功

九州大学エネルギー研究教育機構(Q-PIT)の山崎仁丈教授と兵頭潤次特任助教は、プロトン伝導性電解質と電極界面における歪みとプロトン伝導度の関係を定量化するモデルを構築し、高性能プロトン伝導性燃料電池セルにおける電解質中のプロトン伝導度を予測することに世界で初めて成功しました。本モデルを指針とした界面ひずみの低減により、中温動作燃料電池セル性能の最大化やさらなる高性能化が期待されます。

研究成果

面内圧縮ひずみによるプロトン拡散障壁の増加(左)実際の燃料電池における歪をシミュレーションし、どの程度プロトン伝導度が減少するか予測したところ、実験報告値と予測値が一致し、ひずみがプロトン拡散抑制に寄与していることを示唆しました(右)。

プレスリリース本文は九州大学HPよりご覧いただけます。

論文情報

掲載誌:Journal of Physics: Energy
タイトル:Quantitative Evaluation of Biaxial Compressive Strain and its Impact on Proton Conduction and Diffusion in Yttrium-doped Barium Zirconate Epitaxial Thin Films
著者名:Junji Hyodo and Yoshihiro Yamazaki
DOI:10.1088/2515-7655/ac889e

AI モデルの開発により、たった1 回の実験で新規プロトン伝導性電解質を発見! ~中温動作燃料電池に用いる電解質材料の開発加速化に期待~

山崎仁丈教授らによる本研究成果は、日本時間2021年8月4日(水)に米国化学会の国際学術誌「ACS Energy Letters」のオンライン速報版で公開されました。
研究者からひとこと:
1981年にプロトン伝導性酸化物が発見されてから40年経ちましたが、プロトン伝導を示すペロブスカイトは100程度しか見つかっていません。
本手法により、新規材料探索が大幅に加速されることを期待しています。

経済同友会が発表した政策提言に本機構/分山達也准教授の研究成果の一部が取り入れられました

本機構の分⼭達也准教授が経済同友会(2019年度 環境・資源エネルギー委員会)にて研究成果を紹介し、
その内容の一部が「2030年再⽣可能エネルギーの電源構成⽐率 を40%へ – その達成への道筋と課題の克服 – 」
とした政策提⾔にまとめられました。

本機構は、低炭素・再生可能なエネルギー社会の実現に向けて、研究成果の発信に努めてまいります

 

経済同友会 Webサイト 政策提言

https://www.doyukai.or.jp/policyproposals/articles/2020/200729a.html

(参考)SankeiBizより 経済同友会が再生エネ比率を提言、2030年に40%へ

https://www.sankeibiz.jp/macro/news/200729/mca2007291726008-n1.htm

(参考)本機構教員の研究成果

” Renewables integration grid study for the 2030 Japanese power system”

https://digital-library.theiet.org/content/journals/10.1049/iet-rpg.2019.0711

Q-PIT フーマン・ファルザネ准教授の研究課題が九州自然エネルギー推進機構2020年度助成に採択されました

太陽光発電等の自然エネルギーに関する研究に対する助成を行うことにより九州の自然エネルギーの普及推進に寄与することを目的とする一般社団法人九州自然エネルギー推進機構が募集した2020年度研究助成に、未来エネルギーマネジメント研究ユニットのフーマン・ファルザネ准教授が採択されました。

研究課題:筑紫キャンパスにおける低コストで高効率なマイクログリッド制御の設計と開発

 

プロトン伝導度を決定する新規パラメータを発見、伝導度予測に成功! ~計算化学によるプロトン伝導性材料開発の加速化に期待~

ありません。

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