プロトン伝導性ポリマーとシリカ微粒子からなる新規高分子電解質膜の開発

开发由质子传导聚合物和二氧化硅颗粒组成的新型聚合物电解质膜

• 批准号: 18J10346
• 负责人: 志藤 慶治
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Yamagata University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J10346/
• 关键词: 固体高分子形燃料電池用電解質膜; Core-Shell型ハイブリッドナノ粒子; プロトン伝導; 精密ラジカル重合; 固体高分子形燃料電池用電解質膜; Core-Shell型ハイブリッドナノ粒子; プロトン伝導; 精密ラジカル重合

総合性能でNafion®に替わる電解質膜の開発を目的として実施した。実施内容として、表面に2次元プロトン伝導経路を付与した機能性フィラーの作製を試み、これらを多点接触させ、3次元プロトン伝導チャンネルを構築し、より安価で大量生産可能な固体高分子電解質膜の設計・実証に取り組んだ。これまで、粒子共存制御ラジカル重合法を用いて、シリカナノ粒子表面にPAA-b-PS (polyacrylic acid-block-polystyrene)を被覆したコア-シェル型ハイブリッドナノ粒子の作製・評価を行い、目的のコア-シェル型ハイブリッドナノ粒子の作製に成功してきた。より高温域での稼働とプロトン伝導度向上を目的として、高耐熱性と高プロトン伝導性の発現に着手した。Poly(1-vinylimidazole)とPolyvinylphosphonic acid (PVPA)を目的化合物として、精密ラジカル(RAFT)重合を行い、それぞれdithiocarbamates型とxanthate型でのRAFT重合が可能であることを見出した。特にPVPAの系では、これまで水系での重合が一般的であったが、RAFT試薬の構造を見直すことで、有機溶媒中でのRAFT重合を可能とした点で意義深い。さらに、xanthates型RAFT試薬を用いて、粒子共存制御ラジカル重合法によりsilica@X1-PVPAを作製した。作製後、Imidazoleを吸着させ、PAA-b-PS を被覆したsilica@X1-PVPA/Im/PAA-b-PSの系では、最表面にブロッキング層が存在するにも関わらず、プロトン伝導性の著しい低下を抑制し、高プロトン伝導性(3.14×10-2 S/cm, 60℃, 98% RH)を発現した。また、180℃程度までの耐熱性が確認できている。以上、高プロトン伝導性の発現と耐熱性の向上を達成した。

进行此操作的目的是开发一个电解质膜，该膜用其整体性能取代Nafion®。作为实施的一部分，我们试图用表面上的二维质子传导路径来制造功能填充剂，然后我们进行了多个接触以构建三维质子传导通道，并致力于设计和演示固体聚合物电解质膜，可以以较低的成本和质量产生这些膜。到目前为止，我们已经成功地生产和评估了使用粒子共存控制的自由基聚合方法PAA-B-PS（PAA-B-PS（多丙烯酸酸性块 - 多苯乙烯）），并成功生产了所需的核心壳杂交纳米粒子。为了在较高温度区域运行并提高质子电导率，我们已经开始发展高耐热性和高质子电导率。使用聚（1-乙烯基咪唑）和聚乙烯膦酸（PVPA）作为靶化合物进行精确自由基（筏）聚合，并发现分别可能在二硫代氨基氨基甲酸酯和小心理类型中进行筏聚合。特别是，在PVPA系统中，迄今为止，水系统中的聚合一直很常见，但是有意义的是，通过审查筏试剂的结构，有机溶剂中的筏聚合是可能的。此外，使用Xanthates-type Raft试剂通过粒子共存控制的自由基聚合来制备硅@x1-PVPA。制造后，在硅@x1-PVPA/IM/PAA-B-PS系统中，咪唑被吸附并涂有PAA-B-PS，尽管顶部表面上存在阻滞层，但质子电导率显着降低，高质子电导率高（3.14×10-2 s/cm，60°C，60°C，98％RH）。另外，已经确认它具有耐热性约180°C。这已经达到了高质子电导率并提高了耐热性。