双連続キュービック液晶を利用した水素／電解質／白金間における三相界面の拡張

使用双连续立方液晶扩展氢/电解质/铂之间的三相界面

基本信息

批准号：
18J21088
负责人：
小林翼
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Tokyo University of Agriculture and Technology
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 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

三相界面とは気相・液相・固相などの異なる三相の全てが接する点を示す。科学界には三相界面でのみ進行する化学反応が数多く知られている。燃料電池の電極上における化学反応もまた、ガス(水素もしくは酸素)・電解質・白金の全てが接地する三相界面で酸化・還元反応が進行する。それぞれ反応に関与する物質が分子・イオン・電子と全く異なるため、白金触媒の限られた面積しか触媒として機能できない。三相界面を意図的に拡張する方法論を確立できれば、反応効率の飛躍的な向上を期待でき、新しい材料設計・反応設計として興味深い。高分子形燃料電池では、ナフィオンを代表とするガス透過性の低い高分子電解質を白金触媒上に被覆することで、電解質/触媒の界面を作製し、基質ガスを吹きかけることで反応させていた。電解質がプロトン・水素ガスを同時に輸送する材料を作製できれば、電解質/白金間における二相界面を三相界面へと昇華できると考えた。一般的にプロトン・水素ガスは極性が大きく異なるため同一媒体中で存在できない。そこで両親媒性分子が創るナノ相分離構造に着目した。双連続キュービック液晶はナノ相分離を駆動力に、ナノオーダーの周期性と連続性を併せ持つ『三次元極小界面』と『三次元分岐チャネル』を形成する。そこで、『三次元極小界面』と『三次元分岐チャネル』をそれぞれプロトンと水素ガスの輸送場として機能化することで、プロトン・水素ガスを同時に輸送可能な媒体の作製を目指した。

三相界面指示了所有三个不同阶段（例如气相，液相和固相）开始接触的点。有许多已知的化学反应仅发生在科学界的三相界面。燃料电池电极上的化学反应还涉及在三相界面处的氧化/还原反应，其中所有气体（氢或氧气），电解质和铂都被接地。由于反应中涉及的物质与分子，离子和电子完全不同，因此只有铂催化剂的有限面积可以用作催化剂。如果可以建立有意扩展三相界面的方法，则可以显着提高反应效率，并且是一种新的材料设计和反应设计。在聚合物燃料电池中，将具有低气体渗透性的聚合物电解质（例如Nafion）涂在铂催化剂上，以创建电解质/催化剂界面，并用底物气体喷洒以反应。我们认为，如果电解质可以产生同时运输质子和氢气的材料，则可以将电解质/铂之间的两相界面升华至三相界面。通常，质子和氢气在同一培养基中不能存在，因为它们在极性上有很大差异。因此，我们专注于两亲分子产生的纳米相分离结构。双连续的立方液晶形成“三维最小接口”和“三维分支通道”，将纳米相分离与驱动力相结合。因此，通过运行“三维最小界面”和“三维分支通道”作为质子和氢气的传输位点，我们旨在创建一种可以同时运输质子和氢气的培养基。