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

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。

该项目的目的是开发一种在整体性能方面可以取代 Nafion® 的电解质膜。作为我们工作的一部分，我们尝试创建一种表面具有二维质子传导通道的功能性填料，并通过使它们多点接触，构建三维质子传导通道并创建固体聚合物电解质膜我们致力于以较低的成本进行大批量生产。到目前为止，我们已经使用粒子共存控制自由基聚合方法来制造和评估二氧化硅纳米粒子表面涂覆有PAA-b-PS（聚丙烯酸-嵌段-聚苯乙烯）的核-壳杂化纳米粒子 - 我们已经成功。生产壳型杂化纳米颗粒。为了在更高的温度下运行并提高质子传导率，我们开始开发高耐热性和高质子传导率。我们以聚(1-乙烯基咪唑)和聚乙烯基膦酸(PVPA)为目标化合物进行了精密自由基聚合(RAFT)，发现二硫代氨基甲酸酯型和黄原酸酯型的RAFT聚合是可能的。特别是在PVPA系的情况下，迄今为止在水系中的聚合已成为普遍，但其意义在于，通过研究RAFT试剂的结构，可以在有机溶剂中进行RAFT聚合。此外，使用黄原酸盐型RAFT试剂，通过颗粒共存控制自由基聚合法制备了silica@X1-PVPA。制备后，吸附有咪唑并涂覆有PAA-b-PS的silica@X1-PVPA/Im/PAA-b-PS体系尽管在最外表面存在阻挡层，但质子电导率的显着下降得到抑制。并表现出高质子电导率（3.14×10-2 S/cm，60℃，98％RH）。此外，已确认耐热性高达约180°C。如上所述，我们实现了高质子传导性和改进的耐热性。

项目成果

高分子

高分子

• 发表时间: 2007
• 作者: 西山伸宏;片岡一則
• 通讯作者: 片岡一則

Novel polymer electrolyte membrane which proton conductive channel being constructed by Core-Shell type hybridized silica nanofillers

核壳型杂化二氧化硅纳米填料构建质子传导通道的新型聚合物电解质膜

• 发表时间: 2018
• 作者: Keiji Shito

Novel polymer electrolyte membrane which proton conductive channel being constructed by Core-Shell type hybridized silica nanoparticles

核壳型杂化二氧化硅纳米粒子构建质子传导通道的新型聚合物电解质膜

• 发表时间: 2018
• 作者: Takesue Shogo;Kikuchi Shoichi;Akebono Hiroyuki;Misaka Yoshitaka;Komotori Jun;Keiji Shito
• 通讯作者: Keiji Shito

Georg-August-University goettingen(ドイツ)

格奥尔格·奥古斯特·哥廷根大学（德国）