Development of Novel Proton Conductive Membranes Based on Heterocyclic Ring Systems for Polymer Electrolyte Fuel Cells

用于聚合物电解质燃料电池的基于杂环系统的新型质子导电膜的开发

• 批准号: 17J07862
• 负责人: 甘利 俊太朗
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Tokyo University of Agriculture and Technology (2018)Tokyo Institute of Technology (2017)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17J07862/
• 关键词: 電解質ポリマー; ヘテロ環; 分子間相互作用; プロトン伝導; 高分子膜; 固体高分子形燃料電池; 高分子電解質; 構造化; 膨潤抑制能; プロトン伝導性

分子間相互作用を有するベンゾチアジアゾール（BT）環を基盤とし、スルホン酸基を導入した新規な親水性のユニット（SBT環）を用いて、親水部にヘテロ環を有する電解質ポリマーを開発した。設計したSBT環を有する電解質ポリマーは1段階の縮合重合反応により合成した。得られたポリマーを用いて作製したキャスト膜は高い機械的強度を示した。次に、原子間力顕微鏡を用いて、膜表面の構造を解析したところ、SBT環を有する膜表面では、疎水性ドメインと親水性ドメインの凝集が促されていることが明らかになった。さらに、分光学的手法により、SBT環を導入した膜中では構造化に起因して、プロトンキャリアであるスルホン酸基が集積した構造が発現していることが示唆された。また、SBT環基盤の電解質膜は幅広い湿度領域で、従来のSPES膜よりも高いプロトン伝導性を示した。Arrhenius plotより算出した活性化エネルギーは、SPES膜に比べ、約20%低下していることも明らかになった。したがって、SBT環の導入は構造化に伴って、プロトン輸送に適した構造の構築を促し、高効率なプロトン伝導性をもたらすことを新たに見出した。以上より、SBT環を利用した分子設計は、構造化に伴ってスルホン酸基の集積化を促し、低湿度環境下で高いプロトン伝導性を示す電解質ポリマーの開発に有用な指針であると考えられる。また、ヘテロ環を利用した新たな分子設計指針の獲得に向け、ヘテロ環の1種であるチアゾロチアゾール（TT）環を有する化合物をゲスト分子とし、環状化合物であるククルビットウリル（CB[n]）をホスト分子として用いた複合体の作製を検討した。合成したヘテロ環基盤の化合物を含む溶液にUV光を照射したところ、CB[8]の有無によりヘテロ環由来の発光強度が著しく変化したことから、TT環基盤のモノマーとCB[8]が複合体を形成していることが示唆された。

Intermolecular interactions を have す る ベ ン ゾ チ ア ジ ア ゾ ー ル を base plate (BT) ring と し, ス ル ホ ン acid radical を import し た new rules な hydrophilic の ユ ニ ッ ト ring (SBT) を with い て, radical に ヘ テ を ロ ring す る electrolyte ポ リ マ ー を open 発 し た. The design of the <s:1> たSBT ring を consists of する electrolyte ポリ, <s:1> <s:1> <s:1> <s:1>, <s:1>, <s:1>, 1-stage <s:1> condensation, cocoincidence, anti-応 によ, <s:1> synthesis, and <s:1> た. The られたポリ, を, を and を are used to fabricate the <s:1> たキャスト film. The mechanical strength of the <s:1> high <s:1> is を and を show that た た. に, interatomic force 顕 micromirror を with い て の structure, membrane surface analytical し を た と こ ろ, SBT ring を す る membrane surface で は, water-based 疎 ド メ イ ン と hydrophilic ド メ イ ン の agglutination が promote さ れ て い る こ と が Ming ら か に な っ た. さ ら に, spectroscopy technique に よ り, SBT ring を import し た membrane in で は structured に cause し て, プ ロ ト ン キ ャ リ ア で あ る ス ル ホ ン acid radical が set product し た tectonic が 発 now し て い る こ と が in stopping さ れ た. Youdaoplaceholder0, the electrolyte film of the SBT ring base plate <s:1> is wide in the <s:1> humidity field で, 従 comes from the <s:1> SPES film よ is high, プロト プロト 伝 conductivity を shows た た. Arrhenius plot よ り calculate し た activeness エ ネ ル ギ ー は, SPES membranes に than べ, about 20% lower し て い る こ と も Ming ら か に な っ た. し た が っ て, SBT ring の import は structured に with っ て, プ ロ ト ン conveying に optimum し の た structure constructing を promote し, high rate of unseen な プ ロ ト ン 伝 conductivity を も た ら す こ と を new た に shows し た. Above よ り, SBT ring を using し た は molecular design, construct に with っ て ス ル ホ ン acid radical の set product を promote し and low humidity environment で high い プ ロ ト ン 伝 conductivity を す in electrolyte ポ リ マ ー の open 発 に useful な pointer で あ る と exam え ら れ る. ま た, ヘ テ ロ ring を using し た new た な pointer の に to け, molecular design ヘ テ ロ 1 ring の で あ る チ ア ゾ ロ チ ア ゾ ー ル (TT) ring を す る compound を ゲ ス ト molecular と し, cyclic compound で あ る ク ク ル ビ ッ ト ウ リ ル (CB [n]) を ホ ス ト molecular と し て in い た complex の cropping を beg し 検 た. Synthetic し た ヘ テ ロ ring base plate を の compounds containing む solution を に UV light irradiation し た と こ ろ, CB [8] の presence of に よ り ヘ テ ロ ring origin の 発 light intensity が the し く variations change し た こ と か ら, TT ring base plate の モ ノ マ ー と CB [8] が complex を form し て い る こ と が in stopping さ れ た.

项目成果

ヘテロ原子間相互作用を基盤とした新規芳香族系高分電解質膜

基于杂原子相互作用的新型芳香族聚合物电解质膜

• 发表时间: 2017
• 作者: Shuntaro Amari;Shinji Ando;Takeo Yamaguchi;甘利俊太朗
• 通讯作者: 甘利俊太朗

ヘテロ原子間相互作用を基盤とする燃料電池用高分子電解質の開発

基于杂原子相互作用的燃料电池聚合物电解质的开发

• 发表时间: 2019
• 期刊: 分離技術
• 作者: 甘利俊太朗

Effect of a Sulfonated Benzothiadiazole Unit on the Morphology and Ion Conduction Behavior of a Polymer Electrolyte Membrane

• DOI: 10.1021/acs.iecr.8b02446
• 发表时间: 2018-09
• 期刊: Industrial & Engineering Chemistry Research
• 影响因子: 4.2
• 作者: S. Amari;S. Ando;Shoji Miyanishi;Takeo Yamaguchi

山口・田巻研究室 Publication

山口/玉木实验室出版物

Novel aromatic proton exchange membranes based on thiazolothiazole units

• DOI: 10.1038/pj.2017.47
• 发表时间: 2017-08
• 期刊: Polymer Journal
• 影响因子: 2.8
• 作者: S. Amari;S. Ando;Takeo Yamaguchi