高分子固体電解質膜における多重パーコレーション構造の構築とその固定化に関する研究

聚合物固体电解质膜多重渗流结构的构建与固定化研究

基本信息

批准号：
16750189
负责人：
則末智久
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Kyoto Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2005
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16750189/
关键词：
高分子ゲル固体電解質膜原子間力顕微鏡架橋ヘテロポリ酸

项目摘要

燃料電池へ適応可能な固体電解質膜の例として、"フッ素樹脂系電解質膜"、"スルホン化コポリマー膜"、"伝導体をドープしたハイブリッド膜"などが挙げられる。高性能電解質膜を得るために、膜中に少しでも多くのイオンを導入する事が望まれるが、化学構造の修正による性能向上はすでに限界と言われており、根本的にメカニズムの異なる電解質膜の構築が望まれている。また、膜の繰り返し使用に対する劣化や、膜が膨潤する事に伴う燃料の漏れなどが問題となっており、このような要求から架橋の導入は必要不可欠と言われている。そこで本研究では、ナノ領域のイオンチャンネル構造に加えて、ミクロン領域に及ぶ相分離や架橋構造を二重に制御し、新しいプロトン伝導材料の開発とその精密解析を行う事を本研究の目的とする。テトラエトキシシラン(TEOS)を代表とするアルコキシシランモノマーおよびその誘導体は、適当な触媒および溶媒存在下でゲルを生成する。ここでヘテロポリ酸の一種であるリンタングステン酸(PWA)を触媒として用いると、PWAが高いプロトン伝導性を有するため、得られる膜はPWAを担持した高プロトン伝導膜となる。PWAそのものが高い伝導性を有し、ナノオーダーで配位したイオンチャンネルを形成するが、それに加えて本研究ではサブミクロンオーダーのイオン伝導構造の構築を目標として研究を行ってきた。複雑系材料のミクロ構造はその名の通り、非常に解析が困難である。そこで本研究では特に、材料の形成過程における構造体の逐次特性化をめざした。本系は、架橋を伴う反応誘起相分離系であり、反応段階における微妙な濃度、温度、イオン伝導体導入量、溶媒の種類等が最終物性を大きく左右する。ナノ域、サブミクロン域の構造を原子間力顕微鏡(AFM)や小角X線散乱を用いて調べ、これらの構造形成の由来を、動的光散乱やAFMを応用した独自の反応場解析により調べた。その結果、イオン伝導体をより多く粒子内に含む構造体の成長プロセスを定量化でき、逆に機能性分子が漏れ出される反応プロセスを区別することができた。この課題により、ナノ域のチャンネル構造はもちろん、他の階層領域の構造形成に関する知見が得られたので、今後この手法を用いて様々な材料開発が産官学で行えるようになると期待できる。

可应用于燃料电池的固体电解质膜的实例包括“氟树脂电解质膜”、“磺化共聚物膜”和“掺杂导体的混合膜”。为了获得高性能的电解质膜，希望在膜中引入尽可能多的离子，但据说通过改变化学结构来提高性能已经有限，而且机理根本不同的电解质膜希望能够建设起来。此外，还存在因重复使用而导致膜劣化、因膜膨胀而导致燃料泄漏等问题，考虑到这些要求，交联的引入被认为是必不可少的。因此，本研究的目的是开发一种新型质子传导材料，并通过在纳米范围内控制离子通道结构之外，在微米范围内控制相分离和交联结构来对其进行精确分析。以四乙氧基硅烷 (TEOS) 为代表的烷氧基硅烷单体及其衍生物在适当的催化剂和溶剂存在下形成凝胶。如果在此使用作为一种杂多酸的磷钨酸(PWA)作为催化剂，由于PWA具有高质子传导性，所得膜将是负载PWA的高质子传导性膜。 PWA本身具有高导电性，形成纳米级配位的离子通道，但除此之外，本研究的目的是构建亚微米级的离子传导结构。顾名思义，复杂材料的微观结构极难分析。因此，在这项研究中，我们专门针对材料形成过程中结构的顺序表征。该体系是一个涉及交联的反应诱导相分离体系，反应阶段微妙的浓度、温度、引入的离子导体的量、溶剂的类型等极大地影响最终的物理性能。我们使用原子力显微镜 (AFM) 和小角 X 射线散射研究纳米和亚微米范围的结构，并使用动态光散射和应用 AFM 的独特反应场分析研究这些结构形成的起源。结果，我们能够量化颗粒内含有更多离子导体的结构的生长过程，相反，我们能够区分功能分子泄漏的反应过程。通过这个项目，我们不仅获得了有关纳米尺度通道结构的知识，而且还获得了有关其他层次区域中结构形成的知识，因此我们可以预期该方法将在未来用于开发工业界、政府和学术界的各种材料。