Local structure analysis for rational design of proton-conducting self-assembled membranes

质子传导自组装膜合理设计的局部结构分析

基本信息

批准号：
22H01889
负责人：
水野元博
金额：
$ 11.32万
依托单位：
Kanazawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では，高分子とプロトン輸送分子の自己組織化により形成される固体プロトン伝導体のナノ空間の構造・分子運動・相互作用の詳細な解析，及びプロトン伝導機構の解明により，新規な高プロトン伝導性材料の開発を行う。本年度は、アルギン酸(AA)、ポリアクリル酸(PAA)にプロトン輸送分子として1,2,3-トリアゾール（Tz）を加えた複合体膜((1-ｘ)AA-ｘPAA-ｙTz、ｙはAA、PAAに含まれるカルボキシ基に対するTzのモル比)を作製した。膜内のTzの導入量を変化させることで、複合体のプロトン伝導性や熱安定性がどのように変化するかを調べた。AAとPAAの割合が等しい(ｘ=0.5)膜二つを比較すると、Tzの割合が大きい膜の方が高い伝導率を示した。また、同じTz量(ｙ＝0.9)の膜を比較すると、PAAの割合が大きい膜の方がより高温で高い伝導率を示した。プロトン輸送分子であるTzの導入量が増えると、プロトン伝導性は向上し、PAAの割合が大きいほど、高温でも膜の状態を保つことができ、耐熱性が上がることがわかった。AAにプロトン輸送分子として長さの異なるアルキル鎖を有するイミダゾール誘導体(AlkIm)を加えた複合体膜について、プロトン伝導性と熱安定性を調べた。イミダゾールにアルキル鎖がつくことでAAから脱離しにくくなることが示唆された。また、AlkImの重水素化物を調製し、複合体膜中でのAlkImの運動を解析した。アルキル鎖が付いていてもイミダゾール誘導体は高温では等方回転運動を起し、プロトン伝導の効率を上げることがわかった。

在本研究中，我们将对聚合物和质子传输分子自组装形成的固体质子导体的纳米空间结构、分子运动和相互作用进行详细分析，并阐明质子传导机制，以创造一种新型的高质子导体开发导电材料。今年，我们将推出一种复合薄膜（(1-x)AA-xPAA-yTz，其中y是AA，Tz与PAA中所含羧基的摩尔比）。我们研究了通过改变引入膜中的 Tz 量，复合物的质子电导率和热稳定性如何变化。当比较两种具有相同比例的 AA 和 PAA (x=0.5) 的薄膜时，Tz 比例较大的薄膜表现出较高的电导率。此外，当比较具有相同Tz含量（y = 0.9）的薄膜时，PAA比例较大的薄膜在较高温度下表现出较高的电导率。结果发现，随着质子传输分子Tz的引入量增加，质子传导性提高，并且PAA的比例越大，膜即使在高温下也越能保持其状态，并且耐热性增加。我们研究了复合膜的质子电导率和热稳定性，其中添加了AA和具有不同长度烷基链的咪唑衍生物（AlkIm）作为质子传输分子。有人认为，烷基链与咪唑的连接使其难以与 AA 分离。我们还制备了氘代AlkIm并分析了AlkIm在复合膜中的运动。研究发现，即使连接有烷基链，咪唑衍生物在高温下也会进行各向同性旋转运动，从而提高质子传导效率。