実用化を目指した蚕繭由来燃料電池電解質膜の創製に関する研究ーセリシンを利用してー

利用丝胶制作蚕茧燃料电池电解质膜的实用化研究-

• 批准号: 22K14639
• 负责人: 川端 隆
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Setsunan University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14639/
• 关键词: バイオマテリアル; 燃料電池; 電解質; セリシン; 電解質膜

これまでの研究から、DNAやコラーゲン、キチンなどの生体由来物質が、次世代のエネルギーとして注目されている燃料電池の電解質部として機能することがわかっており、産業から多量に廃棄され、生分解性を有するこれらの物質を積極的に利活用することで、よりクリーンで安価な次世代エネルギーの創出が期待されている。しかし、現状ではこれらの生体由来物質を用いた燃料電池の出力は低く、実用化に向けた性能（プロトン伝導性）向上が必要であった。生体由来物質の一つであるタンパク質の高プロトン伝導化のキーファクターは、何であるかを探索するためにも、本研究では、造膜性に優れるセリシンをモデルタンパク質として設定し、まずはそのプロトン伝導に関する総合的な解析を行なった。実験に用いたセリシンは、繭層中のセリシン成分が98%以上となるセリシンホープ種蚕由来のものを膜化し使用した。成膜されたセリシンフィルムは、セリシン燃料電池の創製とその出力測定ならびに含水量試験、LCRメーターを用いたプロトン伝導度測定に供された。創製されたセリシン燃料電池の出力測定を行なった結果、3.3mW/cm＾2が得られた。含水量試験では、セリシンの高い保水性により、アミノ酸あたりの水和水の数nが相対湿度70％から100%の間で、1.0≦n≦1.82と遷移した。プロトン伝導測定では、最大で10^-3[S/m]程度得られることが示唆され、さらに、水和数が1.77<n<1.82の狭い領域で著しいプロトン伝導度の増加と緩和時間の減少が観測された。セリシンの既報構造文献では、自身が有するセリンリッチ配列は疏水的で成膜に必要な部分であり、間隙配列は親水的であることが報告されている。以上の結果と既報文献から、タンパク質の高プロトン伝導化には、疏水部と親水部を構築し、親水部へのアミノ酸置換や化学修飾を施すことで可能になると予想された。

先前的研究表明，生物学衍生的物质，例如DNA，胶原蛋白和几丁质作为燃料电池的电解质部分的作用，它们引起了下一代能量的关注。通过积极利用这些被丢弃和生物降解的物质，可以预计将产生更清洁，更便宜的下一代能量。但是，目前，使用这些生物学衍生物质的燃料电池的输出较低，因此有必要提高性能（质子电导率）用于实际使用。为了探索蛋白质高质子传导的关键因素，蛋白质是生物学衍生的物质之一，在这项研究中，塞他蛋白具有出色的膜形成特性，是一种模型蛋白，并首先对其质子传导进行了全面分析。实验中使用的Sericin是一种源自蚕的膜，产生了丝虫希望，在茧层中含有98％或更多的塞他蛋白含量并被使用。使用LCR计来创建沉积的Sericin膜，用于创建塞他蛋白燃料电池，其输出测量，水含量测试和质子电导率测量。通过获得3.3 mW/cm^2获得了产生的塞他蛋白燃料电池的输出测量。在水含量测试中，由于塞他蛋白的水分高，每氨基酸的水合水的数量n在70％至100％相对湿度之间，为1.0≦n≦1.82。质子传导测量表明，可以获得多达10^-3 [s/m]，此外，在狭窄区域中观察到质子电导率显着增加和弛豫时间减少，水合数为1.77 <n <1.82。在先前报道的有关塞他蛋白的结构文献中，据报道，富含丝氨酸的序列本身是疏水性的，对于膜形成是必要的，并且间隙排列是亲水性的。基于上述结果和先前报道的文档，可以预测，通过构建盐酸和亲水区域，可以对蛋白质进行高质子传导，并将氨基酸和化学修饰取代给亲水区。