京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23898号 / 工博第4985号 / 新制||工||1778(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 田中 功, 教授 邑瀬 邦明, 教授 宇田 哲也 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Stabilised zirconias have a remarkable variety of technological and commercial applications, e.g., thermal barrier coatings, gas sensors, solid oxide fuel cells, ceramic knives and even fashion jewelry. This amazing versatility seems to originate from the creation of atomic defects (oxide ion vacancies) in the zirconia crystal. Indeed, these vacancies, and their interactions with other vacancies or cations, dramatically affect the structural, thermal, mechanical and electrical properties of zirconia. This thesis is concerned with the study of the role of the vacancy interactions on the conducting properties of these materials. This study was performed by using realistic, first-principles based molecular dynamics simulations. The first system studied in this thesis is Zr0:5 0:5xY0:5+0:25xNb0:25xO7. This has a fixed number of vacancies across the series but its conductivity changes by almost two orders of magnitude as a function of x. For this reason, Zr0:5 0:5xY0:5+0:25xNb0:25xO7 represents an ideal test-bed for the role of the cation species on the defect interactions and therefore on the ionic conductivity of these materials. Realistic inter-atomic potentials for Zr0:5 0:5xY0:5+0:25xNb0:25xO7 were developed on a purely first-principles basis. The observed trends of decreasing conductivity and increasing disorder with increasing Nb5+ content were successfully reproduced. These trends were traced to the influences of the cation charges and relative sizes and their effect on vacancy ordering by carrying out additional calculations in which, for instance, the charges of the cations were equalised. The effects of cation ordering were considered as well and their influence on the conductivity understood. The second part of this thesis deals with Sc2O3–doped (ScSZ) and Y2O3–doped (YSZ) zirconias. These systems are of great academic and technological interest as they find use in solid oxide fuel cells. Inter-atomic potentials were parametrised and used to predict the structural and conducting properties of these materials, which were found to agree very well with the experimental evidence. The simulations were then used to study the role of the vacancy interactions on the conducting properties of these materials. Two factors were found to influence the ionic conductivity in these materials: cation-vacancy and vacancy-vacancy interactions. The former is responsible for the difference in conductivity observed between YSZ and ScSZ. Vacancies, in fact, prefer to bind to the smaller Zr4+ ions in YSZ whereas there is not a strong preference in the case of ScSZ, since the cations have similar sizes in this case. This effect is observed at temperatures as high as T = 1500 K. Finally, it was found that vacancies tend to order so that they can minimise their mutual interaction and that this ordering tendency is what ultimately is responsible for the observed anomalous decrease of the ionic conductivity with increasing dopant concentration. The consequences of such a behaviour are discussed.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第15377号 / 工博第3256号 / 新制||工||1490(附属図書館) / 27855 / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 松原 英一郎, 教授 田中 功, 准教授 宇田 哲也 / 学位規則第4条第1項該当

Low cost silicates with apatite-structure (general formula of apatite A10-xM6O26±δ, where A = rare earth or alkaline earth and M= Si, Ge, P, V..) have been proposed recently as promising solid electrolyte materials (oxygen ion conductors) for use at intermediate temperature solid oxide fuel cells (SOFCs). These materials exhibit sufficiently high ionic conductivity (e.g. ~ 0.01 S cm-1 at 700 oC), which is dominated by the interstitial site mechanism and can exceed that of yttria-stabilized-zirconia (YSZ), the solid electrolyte used in state-of-the-art SOFCs. The apatite structure is tolerant to extensive aliovalent doping, which has been applied for improving ionic conductivity. In this work are presented results concerning synthesis, conductivity and catalytic characterization of Fe- and/or Al-doped apatite type lanthanum silicates (ATLS) of the general formula La10-zSi6-x-yAlxFeyO26±δ as well as electrochemical characterization of interfaces of ATLS pellets with perovskite and Ni-based electrodes. The aim was to investigate the properties of these ATLS material, in particular as it concerns their potential use as SOFC components or as catalysts in oxidation reactions. The conductivity of pellets prepared from ATLS powders synthesized via four different methods and having different grain size was measured under air and at different temperatures in the range 600 -850 oC, aiming to identification of the effect of composition (doping), method of synthesis, grain size and pellet sintering conditions. For electrolytes of the same composition, those prepared via mechanochemical activation exhibited the highest conductivity, which was improved with increasing Al- and decreasing Fe-content. In state-of-the-art SOFCs perovskite electrodes are used as cathodes and Ni-based electrodes as anodes, thus electrochemical characterization of perovskite and Ni-based/ATLS interfaces was carried out. As it concerns perovskite/ATLS interfaces, the characterization focused on the study of the open circuit AC impedance characteristics of a La0.8Sr0.2Ni0.4Fe0.6O3-δ/La9.83Si5Al0.75Fe0.25O26±δ interface, at temperatures 600 to 800 oC and oxygen partial pressures ranging from 0.1 to 20 kPa. Under the aforementioned conditions, it was observed that the impedance characteristics of the interface were determined by at least two different processes, corresponding to two partially overlapping depressed arcs in the Nyquist plots. The polarization conductance of the interface was found to increase with increasing temperature as well as with increasing oxygen partial pressure, following a power law dependence. The electrochemical characterization of Ni-based electrodes/ATLS interfaces involved study of the electrochemical characteristics of NiO-apatite cermet electrodes as well as a Ni sputtered electrode interfaced with Al- or Fe-doped apatite electrolytes, under hydrogen atmospheres. The impedance characteristics of these electrodes were found to be determined by up to three different processes, their relative contribution depending on the electrode microstructure, Ni content (as it concerns the cermet electrodes), temperature, hydrogen partial pressure and applied overpotential. Aiming to investigation of potential catalytic properties of ATLS materials the catalytic activity for CO combustion of a series of ATLS powders was studied. For this purpose, two series of apatite-type lanthanum silicates La10-xSi6-y-zAlyFezO27-3x/2-(y+z)/2 (ATLS), undoped or doped with Al and/or Fe, were synthesized via sol-gel and modified dry sol-gel methods and tested as catalysts for CO combustion. The experiments revealed that the ATLS powders were catalytically active for CO combustion above approximately 300 oC, with light-off temperatures T50 (50% conversion of CO) ranging from 505 to 629 oC. The study focused on the effect on catalytic activity of the synthesis method and doping with Al and/or Fe. Non-doped ATLS with stoichiometric structure, namely La10Si6O27 prepared via the sol-gel method, exhibited the highest catalytic activity for CO oxidation among all tested compositions, the comparison being based on the measured catalytic rate (expressed per surface area of the catalyst) under practically differential conditions. Compared to La-Sr-Mn-O and La-Sr-Co-Fe-O perovskite powders, the tested ATLS powders exhibited lower catalytic activity for CO oxidation. / -

Schon seit dem 17. Jahrhundert ist bekannt, dass kolloidales Gold in wässrigen Lösungen eine rötliche Färbung hervorruft; ein Effekt der direkt aus der Nanostrukturierung des Goldes resultiert. Neben der Modifizierung optischer Eigenschaften können durch Nano- oder Mikrostrukturierung auch andere, neuartige Charakteristika hervorgerufen werden, wie bspw. an Bi3Ni nachgewiesen werden konnte: Mittels mikrowelleninduzierter, reduktiver Umsetzung in Ethylenglykol (mikrowellenunterstützter Polyol-Prozess) konnten submikroskalige Bi3Ni-Stäbchen kristallisiert werden, die in Magnetisierungsmessungen die überaus seltene Koexistenz von Supraleitung und Ferromagnetismus zeigten. Ein Quanteneffekt, der im entsprechenden Volumenmaterial nicht nachgewiesen werden kann und auf spezielle Oberflächenzustände zurückzuführen ist. Durch Nanostrukturierung können außerdem die chemischen Eigenschaften entscheidend beeinflusst werden, wie an BiRh gezeigt werden konnte. Der mikrowellenunterstützte Polyol-Prozess begünstigt hierbei die Kristallisation von pseudohexagonalen Plättchen mit 60 nm Durchmesser und 20 nm Dicke. Im Gegensatz zum Volumenmaterial zeigten diese in der industrierelevanten Semihydrierung von Acetylen zu Ethylen Bestwerte sowohl in Bezug auf den Umsatz als auch die Selektivität. Basierend auf diesen Erkenntnissen sollten mithilfe des mikrowellenunterstützten Polyol-Prozesses im Rahmen der vorliegenden Dissertation nanostrukturierte, intermetallische Verbindungen des Typs M–M‘ (M = Sn, Pb, Sb, Bi; M‘ = Fe, Co, Ni, Cu, Pd, Ir, Pt) hergestellt und eingehend chemisch sowie physikalisch charakterisiert werden. Als Edukte dienten Metallsalze, die stets in Ethylenglykol als primäres Lösungs- und Reduktionsmittel umgesetzt wurden. Das Polyol nimmt zusätzlich als oberflächenaktive Substanz Einfluss auf Partikelgröße und -gestalt. Zur Optimierung der Synthesen und um möglichst viele Phasen zugänglich zu machen, wurden Art und Konzentration der Metallsalze, pH-Wert, Reaktionstemperatur und -zeit variiert sowie die Zugabe von Oleylamin und/oder Ölsäure getestet. Oleylamin und Ölsäure sind ihrerseits oberflächenaktive Substanzen, wobei erstere zugleich reduktiv wirken kann. Die methodeninhärente Nanostrukturierung der Produkte führte teilweise zu bemerkenswerten Effekten in der Phasenbildung sowie Beeinflussung der chemischen Eigenschaften. Nahezu das komplette binäre Phasensystem Bi–Pd konnte durch Optimierung der Syntheseparameter zugänglich gemacht werden. Die Besonderheit hierbei: Neben den Raumtemperaturphasen Bi2Pd, Bi2Pd5 und BiPd3 konnte Bi12Pd31 als Hochtemperaturmodifikation sowie die neue und zugleich metastabile Modifikation gamma-Bi1.0Pd erzeugt und stabilisiert werden. Das im NiAs-Strukturtyp kristallisierende gamma-Bi1.0Pd zeigte in Magnetisierungs- und Widerstandsmessungen Supraleitung unterhalb von 3.2 K. Mittels mikrowellenunterstütztem Polyol-Prozess gelang bereits in eigenen Vorarbeiten die Synthese von nanostrukturiertem Bi3Ir. Die Verbindung ist ausschließlich in nanopartikulärer Form bei Raumtemperatur empfindlich gegenüber molekularem Sauerstoff und bildet im Zuge einer unkonventionellen oxidativen Interkalation das intermetallische Suboxid Bi3IrOx. Dieses Verhalten ist verknüpft mit einer amorphen Hülle um die Bi3Ir-Nanopartikel, da diese zur Aktivierung des molekularen Sauerstoffs benötigt wird. Unter Einsatz von Reduktionsmitteln — z.B. Wasserstoff, Superhydrid®, Hydrazin — ist der Oxidationsprozess für x < 2 vollständig reversibel. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten die Erkenntnisse über Bi3Ir und Bi3IrOx vertieft werden: Bi3IrOx konnte als erster Sauerstoffionenleiter bei Raumtemperatur klassifiziert werden, der darüber hinaus metallisch ist. Dies gelang mittels Röntgen- und Elektronenbeugung, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie, quantenchemischen Rechnungen, und Experimenten zur Reaktionskinetik. Mit 84 meV ist die Aktivierungsenergie für die Ionenleitung um eine Größenordnung kleiner als in allen konventionellen Sauerstoffionenleitern. Der Diffusionskoeffizient beträgt für 25 °C 1.2·10–22 m2s–1, was in Anbetracht der 10–19 m2s–1 des Yttrium-stabilisierten Zirkoniumoxids (häufig genutztes Referenzmaterial) bei 150 °C wenig erscheint, aber eben schon für Raumtemperatur gilt. Durch den mikrowellenunterstützten Polyol-Prozess konnten erstmals phasenreine, nanostrukturierte Proben von PbPd3, Pd20Sb7, Pd8Sb3, PdSb, Ni5Sb2, und Pd13Sn9 synthetisiert werden sowie alternative Syntheserouten für weitere Phasen (alpha-/beta-/gamma-Bi2Pt, BiPt, NiSb, beta-Ni3Sn2, Pd2Sn, PdSn, Pt3Sn, PtSn, PtPb) ermittelt werden, wobei mehrfach die Bildung von Hochtemperaturphasen beobachtet wurde. Weiterhin konnten einige Grenzen der Methode aufgezeigt werden: Während blei- und bismutreiche Phasen prinzipiell einfach kristallisiert werden können, sind antimon- und zinnreiche Verbindungen mit der Methode kaum erreichbar. Außerdem zeigte sich, dass in den meisten Phasensystemen nur bestimmte Verbindungen angesteuert werden können; die Bildung der intermetallischen Phasen ist häufig die Triebkraft zur Reduktion der Metallkationen. In den Systemen von Co-Sb, Co-Sn und Ir-Sb konnte bisher keine Feststoffbildung beobachtet werden.

Schon seit dem 17. Jahrhundert ist bekannt, dass kolloidales Gold in wässrigen Lösungen eine rötliche Färbung hervorruft; ein Effekt der direkt aus der Nanostrukturierung des Goldes resultiert. Neben der Modifizierung optischer Eigenschaften können durch Nano- oder Mikrostrukturierung auch andere, neuartige Charakteristika hervorgerufen werden, wie bspw. an Bi3Ni nachgewiesen werden konnte: Mittels mikrowelleninduzierter, reduktiver Umsetzung in Ethylenglykol (mikrowellenunterstützter Polyol-Prozess) konnten submikroskalige Bi3Ni-Stäbchen kristallisiert werden, die in Magnetisierungsmessungen die überaus seltene Koexistenz von Supraleitung und Ferromagnetismus zeigten. Ein Quanteneffekt, der im entsprechenden Volumenmaterial nicht nachgewiesen werden kann und auf spezielle Oberflächenzustände zurückzuführen ist. Durch Nanostrukturierung können außerdem die chemischen Eigenschaften entscheidend beeinflusst werden, wie an BiRh gezeigt werden konnte. Der mikrowellenunterstützte Polyol-Prozess begünstigt hierbei die Kristallisation von pseudohexagonalen Plättchen mit 60 nm Durchmesser und 20 nm Dicke. Im Gegensatz zum Volumenmaterial zeigten diese in der industrierelevanten Semihydrierung von Acetylen zu Ethylen Bestwerte sowohl in Bezug auf den Umsatz als auch die Selektivität. Basierend auf diesen Erkenntnissen sollten mithilfe des mikrowellenunterstützten Polyol-Prozesses im Rahmen der vorliegenden Dissertation nanostrukturierte, intermetallische Verbindungen des Typs M–M‘ (M = Sn, Pb, Sb, Bi; M‘ = Fe, Co, Ni, Cu, Pd, Ir, Pt) hergestellt und eingehend chemisch sowie physikalisch charakterisiert werden. Als Edukte dienten Metallsalze, die stets in Ethylenglykol als primäres Lösungs- und Reduktionsmittel umgesetzt wurden. Das Polyol nimmt zusätzlich als oberflächenaktive Substanz Einfluss auf Partikelgröße und -gestalt. Zur Optimierung der Synthesen und um möglichst viele Phasen zugänglich zu machen, wurden Art und Konzentration der Metallsalze, pH-Wert, Reaktionstemperatur und -zeit variiert sowie die Zugabe von Oleylamin und/oder Ölsäure getestet. Oleylamin und Ölsäure sind ihrerseits oberflächenaktive Substanzen, wobei erstere zugleich reduktiv wirken kann. Die methodeninhärente Nanostrukturierung der Produkte führte teilweise zu bemerkenswerten Effekten in der Phasenbildung sowie Beeinflussung der chemischen Eigenschaften. Nahezu das komplette binäre Phasensystem Bi–Pd konnte durch Optimierung der Syntheseparameter zugänglich gemacht werden. Die Besonderheit hierbei: Neben den Raumtemperaturphasen Bi2Pd, Bi2Pd5 und BiPd3 konnte Bi12Pd31 als Hochtemperaturmodifikation sowie die neue und zugleich metastabile Modifikation gamma-Bi1.0Pd erzeugt und stabilisiert werden. Das im NiAs-Strukturtyp kristallisierende gamma-Bi1.0Pd zeigte in Magnetisierungs- und Widerstandsmessungen Supraleitung unterhalb von 3.2 K. Mittels mikrowellenunterstütztem Polyol-Prozess gelang bereits in eigenen Vorarbeiten die Synthese von nanostrukturiertem Bi3Ir. Die Verbindung ist ausschließlich in nanopartikulärer Form bei Raumtemperatur empfindlich gegenüber molekularem Sauerstoff und bildet im Zuge einer unkonventionellen oxidativen Interkalation das intermetallische Suboxid Bi3IrOx. Dieses Verhalten ist verknüpft mit einer amorphen Hülle um die Bi3Ir-Nanopartikel, da diese zur Aktivierung des molekularen Sauerstoffs benötigt wird. Unter Einsatz von Reduktionsmitteln — z.B. Wasserstoff, Superhydrid®, Hydrazin — ist der Oxidationsprozess für x < 2 vollständig reversibel. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten die Erkenntnisse über Bi3Ir und Bi3IrOx vertieft werden: Bi3IrOx konnte als erster Sauerstoffionenleiter bei Raumtemperatur klassifiziert werden, der darüber hinaus metallisch ist. Dies gelang mittels Röntgen- und Elektronenbeugung, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie, quantenchemischen Rechnungen, und Experimenten zur Reaktionskinetik. Mit 84 meV ist die Aktivierungsenergie für die Ionenleitung um eine Größenordnung kleiner als in allen konventionellen Sauerstoffionenleitern. Der Diffusionskoeffizient beträgt für 25 °C 1.2·10–22 m2s–1, was in Anbetracht der 10–19 m2s–1 des Yttrium-stabilisierten Zirkoniumoxids (häufig genutztes Referenzmaterial) bei 150 °C wenig erscheint, aber eben schon für Raumtemperatur gilt. Durch den mikrowellenunterstützten Polyol-Prozess konnten erstmals phasenreine, nanostrukturierte Proben von PbPd3, Pd20Sb7, Pd8Sb3, PdSb, Ni5Sb2, und Pd13Sn9 synthetisiert werden sowie alternative Syntheserouten für weitere Phasen (alpha-/beta-/gamma-Bi2Pt, BiPt, NiSb, beta-Ni3Sn2, Pd2Sn, PdSn, Pt3Sn, PtSn, PtPb) ermittelt werden, wobei mehrfach die Bildung von Hochtemperaturphasen beobachtet wurde. Weiterhin konnten einige Grenzen der Methode aufgezeigt werden: Während blei- und bismutreiche Phasen prinzipiell einfach kristallisiert werden können, sind antimon- und zinnreiche Verbindungen mit der Methode kaum erreichbar. Außerdem zeigte sich, dass in den meisten Phasensystemen nur bestimmte Verbindungen angesteuert werden können; die Bildung der intermetallischen Phasen ist häufig die Triebkraft zur Reduktion der Metallkationen. In den Systemen von Co-Sb, Co-Sn und Ir-Sb konnte bisher keine Feststoffbildung beobachtet werden.

Le travail s’inscrit dans le cadre général de l’étude de la famille LAMOX, dont le prototype est La2Mo2O9, de structure monoclinique à température ambiante (phase ?), et qui présentent au dessus de 580°C une phase cubique (?) ayant une conduction anionique supérieure à la meilleure zircone stabilisée actuellement utilisé comme électrolyte de pile SOFC (Solid Oxid Fuel Cell), et ce à températures plus basses. L'analogie structurale de la forme ?-La2Mo2O9 avec le composé ?-SnWO4 a permis de proposer une explication à l’origine structurale de la conduction dans le molybdate de lanthane. Le remplacement de l’étain divalent par le lanthane trivalent implique un apport d’oxygène et la création de lacunes, qui viennent se substituer à la place de la paire libre E (5s2) de l’étain (Sn2W2O8E2 ? La2Mo2O8+1?). La migration de cet oxygène supplémentaire par la lacune créée engendre l’apparition d’une conduction anionique.Le travail de thèse comporte deux volets :- recherche de nouvelles compositions pouvant présenter la phase conductrice ? à plus basses températures par substitution du molybdène par du soufre et du phosphore, systèmes n’ayant pas jusqu’alors fait l’objet d’investigations avancées ;- étude des propriétés vibrationnelles et dynamiques de ce type structural afin de comprendre le mécanisme de conduction anionique, et notamment l’existence des changements de régimes de conduction observés en fonction de la température.Des phases pures La2Mo2-ySyO9 et La2Mo2-yPyO9-y/2 ont pu être élaborées jusqu’à des teneurs en soufre de 30% (y = 0.6) et de phosphore de 2.5% (y = 0.05). La forme ? recherchée est stabilisée à la température ambiante pour des taux de soufre supérieurs à 5% et de phosphore supérieurs à 1,5%. Des analyses thermogravimétriques ont révélé que la substitution du molybdène par le soufre diminuait fortement la stabilité thermique des phases rendant ainsi leurs caractérisations par diffraction des rayons X et spectroscopie d’impédance délicates. Pour la série La2Mo2-yPyO9-y/2, une ségrégation partielle du phosphore a été mise en évidence par spectroscopie RMN. Les mesures électriques réalisées sur les deux séries d’échantillons ont montré une conductivité significative, mais néanmoins moindre que celle observée à haute température pour le composé parent La2Mo2O9.Le second volet visant à comprendre le mécanisme de conduction repose sur l’étude des propriétés vibrationnelles. Il s’est appuyé sur des études expérimentales par spectrométrie Raman en liaison avec des calculs ab-initio des spectres de phonons. Malgré des raies Raman très larges en raison du désordre structural, il a été possible de mettre en lumière des signatures caractéristiques des différentes phases en lien avec le réarrangement structural. L’interprétation des spectres a été effectuée en s’appuyant sur la parenté structurale avec le composé modèle ordonné ?-SnWO4. Ce système a permis de démontrer un haut degré de fiabilité des calculs ab-initio sur la base de comparaisons à des études expérimentales par Raman polarisé. Ces calculs transposés au cas du sous-réseau ordonné de LaMoO4 ont amenés à une attribution des signaux Raman. Ceci a permis d’une part de démontrer que des structures observées sur des bandes vibrationnelles Raman devaient être attribuées à l’existence de différents environnements atomiques, et d’autre part l’existence de singularités dans les spectres de phonons, lesquelles soutiennent le modèle préalablement proposé de conduction anionique assistée par phonons. / A new ionic conductor of the solid solutions La2Mo2-yPyO9-y/2 (y ? 0.05) and La2Mo2-ySyO9 (y ? 0.6) has been prepared with conventional solid-state reaction method. The resultant oxide powders were characterized by X-ray diffraction. These two series of lanthanum molybdates, which belong to the LAMOX family of fast oxide-ion conductors, exhibits a different structural behavior depending on the substituting element. The effect of substituting P for Mo reveals that the phase transition which occurs in La2Mo2O9 around 560°C disappears when y > 0.02. Substituting P in some degree (y > 0.02) for Mo6+ can suppress the phase transition and stabilizing the cubic phase of ?- La2Mo2O9. The sulfur series (up to around 30 %) suppress the phase transition which occurs in La2Mo2O9 around 580°C from a low temperature ? form to a high temperature ?, and stabilize the ? form at room temperature.Thermogravimetric analysis showed that the substitution of molybdenum by sulfur greatly decreased the thermal stability of phases making their characterization by X-ray diffraction and impedance spectroscopy difficult. For the series La2Mo2-yPyO9-y/2, a partial segregation of phosphorus was demonstrated by NMR spectroscopy. Electrical measurements performed on the two sets of samples showed significant conductivity, but still less than that observed at high temperature for the parent compound La2Mo2O9.The infrared and Raman spectra of the low- and high-temperature phases of LAMOX were performed at ambient temperature. All theoretically predicted vibrations have been observed, and assignments have been given for the internal vibrations of the MoO42-, SO42- and PO43- ions as for the external vibrations. It is interesting to study the vibrational spectra of these two phases (? and ?) in order to obtain more conclusive data regarding the internal vibrations of the XO4 (X= Mo, P, S).

Functional materials, particularly metal oxides, have been the focus of much attention in solid state chemistry for many years and impact every aspect of modern life. The approach adopted in this thesis to access desirable functionality for enhanced fundamental understanding is via modifying existing materials by deploying reducing synthetic procedures. This work spans several groups of inorganic crystalline materials, but is unified by the development of new properties within host compounds of particular relevance to solid oxide fuel cell technology, which allow interstitial oxide ion conduction at elevated temperatures. The Ca₁₂Al₁₄O₃₂e₂ electride was successfully synthesized by replacing the mobile extra-framework oxygen ions with electrons acting as anions. The high concentration of electrons in the C12A7 electride gives rise to an exceptionally high electronic conductivity of up to 245 S cm⁻¹ at room temperature. Making use of the high density of electrons in Ca₁₂Al₁₄O₃₂e₂ electride, the strong N-N bonds in N₂ was found to be broken when heating Ca₁₂Al₁₄O₃₂e₂ in a N₂ atmosphere. A reaction between silicate apatites and the titanium metal yielded another completely new electride material La₉.₀Sr₁.₀(SiO₄)₆O₂.₄e₀.₂ which was found to be a semiconductor. To fully understand the role of oxygen interstitials in silicate apatites, high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) was employed as the main technique in probing how the oxygen nonstoichiometry is accommodated at the atomic level. Atomic-resolution imaging of interstitial oxygen in La₉.₀Sr₁.₀(SiO₄)₆O₂.₅ proved to be a success in this thesis. Substitution of oxygen in 2a and interstitial sites with fluoride ions in La[subscript(8+y)]Sr[subscript(2- z)](SiO₄)₆O[subscript(2+(3y-2z)/2)] (0<y<2, 0<z<2) could be an approach to enriching the functionalities in the apatite structure. A wide range of fluoride substitution levels was tolerated in La[subscript(10-x)]Sr[subscript(x)](SiO₄)₆O[subscript(3-1.5x)]F[subscript(2x)] (x= 0.67, 1, 1.5, 2) and AC impedance measurements were found in support of a tentative conclusion that fluoride ions could be mobile in fluorinated apatites. The last part of this thesis was focused on a new class of fast oxide ion conductors based on Ge₅P₆O₂₅ whose performance was superior to both La₉.₀Sr₁.₀(SiO₄)₆O₂.₅ and Ca₁₂Al₁₄O₃₃ in the low temperature range.