燃料電池中，固體電解質使用的氧化鋯陶瓷（ZrO2）中添加了釔（Y）等不同的元素，用來提高特性。添加釔雖然能增強晶體內部的離子傳導性，但會在晶界等界面發生濃集（偏聚），阻礙晶界的離子傳導。因此，不同元素在晶界發生的偏聚現象，一直被認為是導致電池特性劣化的一大因素。

偏聚，是指固溶體內溶質原子富集的小區域(偏聚區)的形成過程。東京大學和大阪大學在2016年3月24日宣布了一項新發現：氧化鋯陶瓷晶界的釔偏聚結構在原子尺度為規則的晶體結構。氧化鋯陶瓷是燃料電池的固體電解質，這項發現有可能為高性能陶瓷材料開發提供一個新方向。

這一次，研究人員使用具有1埃（10﹣1om）以下分辨率的原子分辨率掃描透射電子顯微鏡（STEM）和超靈敏X射線成分分析方法，對添加了釔原子的氧化鋯陶瓷的晶界進行了原子尺度的組成分布分析。結果顯示，在晶界附近幾納米的范圍內，釔濃度在原子尺度形成了深淺交錯的規則結構。而按照以往觀點，釔原子只是單純濃集，并不形成規則結構。

而且，通過原子尺度的蒙特卡羅計算進行理論分析的結果證明，在晶界結構、釔、氧空位的相互作用下，這種規則結構非常穩定。這種規則結構與無法在添加了釔的氧化鋯陶瓷中達到穩定狀態的燒綠石型晶體結構非常相似，可以認為是在晶界這一特殊環境下形成的結構。

這項研究成果在原子尺度為解明陶瓷中添加的不同元素在晶界等界面上的分布情況、以及對于功能特性的影響積累了基礎知識，有望成為發現性能劣化的原因并對其實施控制的方針。而且還表明，通過精確控制晶界偏聚，可以創造出使晶界單獨具備其他功能的新晶相。

英國科學期刊《自然通訊（Nature Communications）》在線版已于3月23日（日本時間）公開了這項成果。

粉體圈·啟東

參考來源：日經技術在線