Development of Fast Proton Conductors Using the Cooperative Effects of Hetero-functional Groups on Polymer Nanofibers

利用聚合物纳米纤维上异官能团的协同作用开发快速质子导体

• 批准号: 21K05201
• 负责人: 田中 学
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Tokyo Metropolitan 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 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K05201/
• 关键词: 高分子電解質; ナノファイバー; プロトン伝導; 有機ナノイオニクス; 膜; プロトン; 燃料電池; 高分子電解質; ナノファイバー; プロトン伝導; 有機ナノイオニクス; 膜; プロトン; 燃料電池

本研究では、高分子膜において生体膜に類似する効率的なプロトンホッピング伝導を実現し、その従来とは異なるプロトン伝導機構を利用することで、次世代型燃料電池などの課題解決に繋がる革新的な高速プロトン伝導体を創製することを目的としている。我々のこれまでの研究において、ナノファイバー表面に効率的なプロトン伝導経路を構築することで、ナノファイバー複合膜のプロトン伝導性を向上させることに成功している。今年度はあらたに、塩基性高分子や双性イオン高分子によるナノファイバー修飾を検討した。酸官能基を有するナノファイバー表面に新規高分子を選択的に修飾し、その修飾状態を各種分光測定などで評価した。新規表面修飾ナノファイバーを高分子電解質マトリクスと複合し、ナノファイバー複合膜を得た。新規ナノファイバー複合膜では、ナノファイバーを含まない単独膜や従来のナノファイバー複合膜よりも高いプロトン伝導性を示した。特に低湿度において伝導度の向上は顕著であり、過度な水の存在を必要としない、新しいプロトン伝導機構の存在が示唆された。ナノファイバー表面に異種官能基を高密度に集積させることが、効率的なプロトン伝導の実現に効果的であることが示された。また、プロトン伝導性以外の特性、例えばガスバリア性や力学特性、化学的安定性などもあわせて評価し、新規ナノファイバー複合電解質膜が燃料電池応用に向けて優れた各種特性を有することを明らかにした。

这项研究旨在实现与聚合物膜中生物膜相似的有效质子跳跃传导，并创建创新的高速质子导体，通过利用与常规质子不同的质子传导机制，可以解决诸如下一代燃料电池之类的问题。在我们先前的研究中，我们通过在纳米纤维表面上构造有效的质子传导路径来成功提高纳米纤维复合膜的质子电导率。今年，我们还使用碱性聚合物和Zwitterionic聚合物研究了纳米纤维的修饰。在具有酸官能团的纳米纤维表面选择性修饰新型聚合物，并通过各种光谱测量评估了修饰状态。将新型的表面修饰纳米纤维与聚合物电解质基质结合在一起，以获得纳米纤维复合膜。与无纳米纤维单膜和常规纳米纤维复合膜相比，新型纳米纤维复合膜表现出更高的质子电导率。在低湿度下，电导率的改善尤其明显，这表明存在不需要过多水的新质子传导机制。已经表明，纳米纤维表面上的高密度异源官能团有效地实现有效的质子传导。此外，还评估了质子电导率以外的其他特性，例如气势屏障特性，机械性能和化学稳定性，并且发现新型的纳米纤维复合材料电解质膜具有各种出色的燃料电池应用特性。