Structural Analysis of Proton Transport Network in Block Copolymer Electrolyte Membrane Revealed through Transmission Electron Microtomography Observation

通过透射电子显微断层扫描观察揭示嵌段共聚物电解质膜中质子传输网络的结构分析

• 批准号: 21K05193
• 负责人: 平原 実留
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Saitama University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K05193/
• 关键词: 高分子電解質膜; ブロック共重合体; プロトン伝導; 高次構造; 電子線トモグラフィー; 燃料電池

本研究ではブロック共重合型電解質膜が形成する高次構造及びプロトン伝導経路の解明を目的として、マルチブロック共重合型電解質膜を対象に、「①親水部構造のナノスケール三次元観察」、「②水を収着した高分子電解質膜のその場観察」を実施した。初年度の研究成果よりナノ三次元観察技術を確立し、本材料は製膜時にナノスケールの凝集構造を形成し、親水部ドメインが連結した網目状構造を形成することを判明した。最終年度は、燃料電池の実駆駆動環境により近い条件、すなわち、プロトン伝導媒体となる水を吸着した電解質膜を、材料そのままの状態での直接観察を目的とした検討を行った。具体的には、無機材料分野で用いられるADF-STEM法を応用した無染色観察技術に加えて、生物系の分野で用いられる含水試料の非晶質氷包埋、及び液体窒素温度条件で行う凍結観察技術を組み合わせ、電解質膜に新規適用することで直接観察を実現した。その結果、本材料は製膜時に形成した網目状の親水部ドメイン構造が変形・破壊されることなく構造内部に水を吸着することが明らかとなり、強固に固定化されたネットワーク構造中に水分子が高密度に充填されることで高いプロトン伝導性を発現することが示唆された。更に、最終年度は膜単体・触媒単体での評価に加えて、膜と触媒電極を熱圧着複合化した膜電極接合体を対象とした界面解析を実施し、電気化学反応場における物質移動経路の可視化に取り組んだ。その結果、電解質膜の表面構造に加えて、アイオノマーの被覆構造が発電特性に大きく寄与することが示唆された。本研究成果より確立された三次元観察技術、無染色クライオ観察技術、及び複合界面観察技術は、これまで評価が困難であった電解質材料及び複合材料の直接構造評価を可能とするものであり、燃料電池に加えて、電解反応を用いる様々なカーボンニュートラル技術における応用が期待される。

In this study, high-performance and high-performance electrolysis films are formed. The purpose of this study is to understand the performance of the co-coincidence electrolysis membranes. The purpose of the study is to understand the performance of the co-coincidence electrolysis membranes. "1. The water department is responsible for the production of high-molecular weight films." At the beginning of the year, the results of the research were verified by the three-dimensional inspection technology, the film of this material, the agglutination system, and the contact network of the water department. For the most recent years, fuel cell environmental monitoring, environmental monitoring, environmental protection, environmental The specific and non-machine materials are analyzed by the ADF-STEM method, the chemical staining techniques are used, the aqueous materials are embedded in the biological system, and the temperature conditions of the liquid asphyxiant are used to monitor the technology combination, and the new rules of the electronic solution film are used to directly detect the impact. The results show that the membrane of this material has been formed as a result of the formation of a network, the water department of the water department has created a network, the water system has been created, the internal water supply has been sucked into the water, and the immobilization has been strengthened. In the production of high-density water molecules, high-density water molecules have been filled with high-density water molecules in the fabrication process. In recent years, the most recent year, the membrane catalyst system, the membrane catalyst, the electrodes, the electrodes. The results show that the surface of the electrolysis film is used to increase the temperature, and that the characteristics of the coating are greatly affected by the results. The results of this study make sure that the three-dimensional inspection technology, the dyeing system, the technology, and the complex interface are used to observe the technology, the electrolysis materials and the composite materials are produced directly, the fuel cell is added to the battery, and the electronic solution is used in the system.

项目成果

PEFC用電解質膜におけるプロトン伝導性ネットワークのCryo-STEM直接観察

PEFC 电解质膜中质子传导网络的 Cryo-STEM 直接观察

• 发表时间: 2022
• 作者: 平原 実留;杉森 秀一;荻原 仁志;陸川 政弘
• 通讯作者: 陸川 政弘

General Synthesis of MTiO3 (M = Ba, Sr, Ca, Zn, and Mg) Using Water-soluble Ti complexes

使用水溶性钛配合物一般合成 MTiO3（M = Ba、Sr、Ca、Zn 和 Mg）

• DOI: 10.1246/cl.230132
• 发表时间: 2023
• 期刊: Chemistry Letters
• 影响因子: 1.6
• 作者: Kawai Seito;Higuchi Mai;Yoshida-Hirahara Miru;Ogihara Hitoshi;Kurokawa Hideki
• 通讯作者: Kurokawa Hideki

Proton exchange membrane electrolysis of methanol for simultaneously synthesizing formaldehyde and hydrogen

质子交换膜电解甲醇同时合成甲醛和氢气

• DOI: 10.1039/d2se01472f
• 发表时间: 2023
• 期刊: Sustainable Energy & Fuels
• 影响因子: 5.6
• 作者: Kuramochi Nanako;Yoshida-Hirahara Miru;Ogihara Hitoshi;Kurokawa Hideki
• 通讯作者: Kurokawa Hideki