Structural Analysis of Proton Transport Network in Block Copolymer Electrolyte Membrane Revealed through Transmission Electron Microtomography Observation

通过透射电子显微断层扫描观察揭示嵌段共聚物电解质膜中质子传输网络的结构分析

基本信息

批准号：
21K05193
负责人：
平原実留
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Saitama University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究ではブロック共重合型電解質膜が形成する高次構造及びプロトン伝導経路の解明を目的として、マルチブロック共重合型電解質膜を対象に、「①親水部構造のナノスケール三次元観察」、「②水を収着した高分子電解質膜のその場観察」を実施した。初年度の研究成果よりナノ三次元観察技術を確立し、本材料は製膜時にナノスケールの凝集構造を形成し、親水部ドメインが連結した網目状構造を形成することを判明した。最終年度は、燃料電池の実駆駆動環境により近い条件、すなわち、プロトン伝導媒体となる水を吸着した電解質膜を、材料そのままの状態での直接観察を目的とした検討を行った。具体的には、無機材料分野で用いられるADF-STEM法を応用した無染色観察技術に加えて、生物系の分野で用いられる含水試料の非晶質氷包埋、及び液体窒素温度条件で行う凍結観察技術を組み合わせ、電解質膜に新規適用することで直接観察を実現した。その結果、本材料は製膜時に形成した網目状の親水部ドメイン構造が変形・破壊されることなく構造内部に水を吸着することが明らかとなり、強固に固定化されたネットワーク構造中に水分子が高密度に充填されることで高いプロトン伝導性を発現することが示唆された。更に、最終年度は膜単体・触媒単体での評価に加えて、膜と触媒電極を熱圧着複合化した膜電極接合体を対象とした界面解析を実施し、電気化学反応場における物質移動経路の可視化に取り組んだ。その結果、電解質膜の表面構造に加えて、アイオノマーの被覆構造が発電特性に大きく寄与することが示唆された。本研究成果より確立された三次元観察技術、無染色クライオ観察技術、及び複合界面観察技術は、これまで評価が困難であった電解質材料及び複合材料の直接構造評価を可能とするものであり、燃料電池に加えて、電解反応を用いる様々なカーボンニュートラル技術における応用が期待される。

在这项研究中，为了阐明由块共聚物电解质膜形成的高阶结构和质子传导途径，我们进行了“ 1）纳米级三维对亲水性结构的三维观察，“ 2）在聚合电解膜的情况下观察到与水液相关的多型膜上的聚合物电解膜上的观察。根据第一年的研究结果，我们建立了纳米三维观察技术，发现该材料在膜形成过程中形成了纳米级的聚集结构，并且它形成了类似网络的结构，在该结构中连接了亲水域。在最后一年，我们进行了一项研究，旨在直接观察电解质膜，这些电解质膜吸附的水作为质子导向培养基，与材料相同。具体而言，除了使用无机材料领域使用的ADF-STEM方法的未染色观察技术外，还通过将在生物系统领域中使用的含水样品的无定形冰嵌入和冷冻观察技术结合在液态氮气温度下执行的含水样品，以及对电子氮气温度的应用，以及对电子电解质膜的新应用，实现了直接观察。结果，揭示了在膜形成过程中形成的网格样亲水结构域结构在结构内部吸附水而不会变形或破坏，这表明当水分子以高度浓缩的网络结构填充时，达到了高质子电导率。此外，在最后一年，除了对膜和催化剂的评估外，还对膜电极组件进行了界面分析，其中膜和催化剂电极被合并为热压缩键，并努力努力在电化学反应场中可视化可视化质量传递路径。结果，建议除了电解质膜的表面结构外，离子体的涂层结构对发电特性产生了重大贡献。从该研究结果确定的三维观察技术，未染色的冷冻观察技术以及复合界面观察技术可以直接对电解质材料和复合材料进行直接的结构评估，这些材料和复合材料迄今难以评估，并且预计它将在各种碳中性技术中应用于燃料电池中的各种碳中性技术。

项目成果

期刊论文数量（4）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

PEFC用電解質膜におけるプロトン伝導性ネットワークのCryo-STEM直接観察

PEFC 电解质膜中质子传导网络的 Cryo-STEM 直接观察

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
平原実留;杉森秀一;荻原仁志;陸川政弘
通讯作者：
陸川政弘

General Synthesis of MTiO3 (M = Ba, Sr, Ca, Zn, and Mg) Using Water-soluble Ti complexes

使用水溶性钛配合物一般合成 MTiO3（M = Ba、Sr、Ca、Zn 和 Mg）

DOI：
10.1246/cl.230132
发表时间：
2023
期刊：
Chemistry Letters
影响因子：
1.6
作者：
Kawai Seito;Higuchi Mai;Yoshida-Hirahara Miru;Ogihara Hitoshi;Kurokawa Hideki
通讯作者：
Kurokawa Hideki

Proton exchange membrane electrolysis of methanol for simultaneously synthesizing formaldehyde and hydrogen

质子交换膜电解甲醇同时合成甲醛和氢气