👨‍🏫O2－イオン伝導体とその応用

☆　O2－イオン伝導体は、自動車のエンジンに供給する燃料／空気混合ガスの比率などを検知する「酸素濃度センサー」や、高効率次世代発電システムとして期待されている「固体電解質燃料電池」の発電素子など、様々な応用がある。O2－イオン伝導体には様々な物質があるが、本講義では中でも代表的な「安定化ジルコニア」を取り上げる。
　例：安定化ジルコニア（組成：酸化ジルコニウム(ZrO2)に
　　　CaOまたはY2O3を数％固溶したもの）
　　　構造：螢石型構造（右図）から部分的にO2－イオンが
　　　　　　抜けた構造。
　☆　O2－イオンが伝導するしくみ：
　　　純粋なZrO2はO2－イオン伝導体ではない。しかし、
　　　これにCaOを固溶させると下記のようは反応式に
　　　したがって「O2－イオン空孔」ができる。
　　　これに電圧をかけると、正極の方向にO2－イオンが
　　　移動する（空孔は反対側に動く）。
　　　　　　　VOはO2-空孔
　　　確認：陽イオン：（陰イオン＋空孔）の数はいくらか。また電荷の中性は保たれているか？
　　注意：ZrとCaはそれぞれ+4、+2価の酸化状態しか取ろうとしないので、先週まで話した「原子価制
　　　　　御」が起こらない。従って、単に陽イオンに対する不足分だけO2－イオン空孔ができる。

　　☆　O2－イオン伝導体を作る目的では、Ca/(Zr+Ca)が0.15～0.20程度までCaOを固溶させる。
　　☆　室温ではほどんどO2－は動けないが、温度上昇に伴って導電率が上がり、1000℃では1Sm-1程度
　　　　の導電率を示す。

　　☆　安定化ジルコニア発見の経緯（補足）
　　純粋なZrO2は融点が2670℃と高く化学的にも安定なので、耐火レンガなどの用途には最適である。しかし、ZrO2の結晶構造は理想的な螢石型構造ではなく、室温では(Zr4＋イオンが0.98Åと小さすぎるために）やや歪んでいる（単斜晶）。これは1100℃以上では正方晶になり、2400℃以上ではじめて立方晶の理想的な螢石型構造になる。従って純粋なZrO2の塊を加熱・冷却すると単斜晶⇔正方晶⇔立方晶の移り変わりの時に体積が急激に変化するために、やがて自分自身でぼろぼろに壊れてしまうという欠点があった。

👨‍🏫 000. O2－イオン伝導体とその応用

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◇ 参考文献( 書籍・雑誌・URL )

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