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。

三相界面是指所有三种不同相（例如气相、液相和固相）接触的点。科学界已知许多化学反应仅在三相界面上进行。在燃料电池电极上的化学反应中，氧化和还原反应也在气体（氢或氧）、电解质和铂均接地的三相界面上进行。由于每次反应涉及的物质是完全不同的分子、离子、电子，因此铂催化剂只有有限的面积可以起到催化剂的作用。如果我们能够建立一种有意扩展三相界面的方法，我们可以预期反应效率会得到显着提高，这作为新材料和反应设计很有趣。在聚合物燃料电池中，将具有低透气性的聚合物电解质（例如Nafion）涂覆在铂催化剂上以形成电解质/催化剂界面，并且通过将基质气体喷射到铂催化剂上来引起反应。我们认为，如果我们能够创造一种电解质同时传输质子和氢气的材料，我们就可以将电解质和铂之间的两相界面升华为三相界面。一般来说，质子和氢气不能存在于同一介质中，因为它们的极性明显不同。因此，我们专注于由两亲分子创建的纳米相分离结构。双连续立方液晶以纳米相分离为驱动力，形成同时具有纳米级周期性和连续性的“三维最小界面”和“三维分支通道”。因此，我们的目标是通过将“三维最小界面”和“三维分支通道”分别功能化为质子和氢气的传输场，创建一种可以同时传输质子和氢气的介质。