中低温領域で動作するセラミックスナノシートプロトン伝導体の開発

开发中低温陶瓷纳米片质子导体

基本信息

批准号：
22K14767
负责人：
粟屋恵介
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Kumamoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

セラミックスナノシートは、層状金属酸化物等を単層剥離して得られる二次元性ナノ材料である。一枚のナノシートは、厚さが1 nm程度であり、全ての結晶格子が最表面に位置する特異な構造を有する。剥離後のナノシートは、スピンコート法やろ過法により再積層することが可能であり、積層数によっては高い機械的強度と柔軟性を併せ持った自立膜が得られる。本研究では、セラミックスナノシート自立膜を用いた燃料電池用プロトン伝導膜の開発を行う。過去の研究では、酸化グラフェン自立膜について、ナフィオンと並ぶ高いプロトン伝導度(0.001~0.1 S/cm)が報告されている。しかしながら、酸化グラフェンは熱的耐性に乏しいため、100 ℃以上の領域では伝導度に著しい低下が起こる。一方で、セラミックスナノシートでは酸化グラフェンと同等の高アスペクトな構造を有しているものの、熱的耐性に優れることから、中低温領域(100-300 ℃)においても高い伝導度を示す可能性がある。本研究を進行するにあたり、酸化チタンや酸化カルシウムニオブ等の各種ナノシートから成る自立膜をろ過法により作製した。自立膜の透過および反射X線回折(XRD)パターンより、ナノシートが配向して積層している状態を確認した。プロトン伝導度測定では、各種ナノシートのうち、酸化カルシウムニオブナノシートがより高い値を示した。酸化カルシウムニオブナノシート自立膜を酸処理したのち、100 ℃、相対湿度(RH)100%の条件で燃料電池評価を行い、最大電流密度1.7 mA/cm2、起電力0.90 V、最大出力密度0.38 mW/cm2の値を得た。また、酸化カルシウムニオブナノシートに予め凍結乾燥処理を施した場合、より高い伝導度が得られたことから、膜中のナノシートの配向性を制御することで性能をより向上させることができると示唆された。

陶瓷纳米片是通过剥离单层层状金属氧化物等而得到的二维纳米材料。单个纳米片厚度约为 1 nm，具有独特的结构，其中所有晶格都位于最外层表面。剥离后的纳米片可以通过旋涂或过滤的方式重新堆叠，根据堆叠的层数，可以获得兼具高机械强度和柔韧性的自支撑薄膜。在这项研究中，我们将使用陶瓷纳米片自支撑膜开发一种用于燃料电池的质子传导膜。过去的研究表明，氧化石墨烯自支撑薄膜具有高质子电导率（0.001至0.1 S/cm），可与Nafion相媲美。然而，氧化石墨烯的耐热性较差，因此在100℃以上时其电导率显着下降。另一方面，尽管陶瓷纳米片具有类似于氧化石墨烯的高纵横比结构，但它们具有优异的耐热性，并且即使在中低温范围（100-300℃）下也可以表现出高导电性。在进行这项研究的过程中，采用过滤方法制造了由氧化钛和氧化钙铌氧化物等各种纳米片制成的自支撑膜。自支撑薄膜的透射和反射 X 射线衍射 (XRD) 图案证实纳米片是定向和堆叠的。在质子电导率测量中，钙铌氧化物纳米片在各种纳米片中表现出更高的值。对铌酸钙纳米片自支撑膜进行酸处理后，在100℃、100%相对湿度（RH）下进行燃料电池评价，最大电流密度为1.7mA/cm2，电动势为0.90V，得到最大输出密度为0.38mW/cm2的值。此外，当预先冷冻干燥钙铌氧化物纳米片时，可以获得更高的电导率，这表明通过控制薄膜中纳米片的取向可以进一步提高性能。