中低温領域で動作するセラミックスナノシートプロトン伝導体の開発

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セラミックスナノシートは、層状金属酸化物等を単層剥離して得られる二次元性ナノ材料である。一枚のナノシートは、厚さが1 nm程度であり、全ての結晶格子が最表面に位置する特異な構造を有する。剥離後のナノシートは、スピンコート法やろ過法により再積層することが可能であり、積層数によっては高い機械的強度と柔軟性を併せ持った自立膜が得られる。本研究では、セラミックスナノシート自立膜を用いた燃料電池用プロトン伝導膜の開発を行う。過去の研究では、酸化グラフェン自立膜について、ナフィオンと並ぶ高いプロトン伝導度(0.001~0.1 S/cm)が報告されている。しかしながら、酸化グラフェンは熱的耐性に乏しいため、100 ℃以上の領域では伝導度に著しい低下が起こる。一方で、セラミックスナノシートでは酸化グラフェンと同等の高アスペクトな構造を有しているものの、熱的耐性に優れることから、中低温領域(100-300 ℃)においても高い伝導度を示す可能性がある。本研究を進行するにあたり、酸化チタンや酸化カルシウムニオブ等の各種ナノシートから成る自立膜をろ過法により作製した。自立膜の透過および反射X線回折(XRD)パターンより、ナノシートが配向して積層している状態を確認した。プロトン伝導度測定では、各種ナノシートのうち、酸化カルシウムニオブナノシートがより高い値を示した。酸化カルシウムニオブナノシート自立膜を酸処理したのち、100 ℃、相対湿度(RH)100%の条件で燃料電池評価を行い、最大電流密度1.7 mA/cm2、起電力0.90 V、最大出力密度0.38 mW/cm2の値を得た。また、酸化カルシウムニオブナノシートに予め凍結乾燥処理を施した場合、より高い伝導度が得られたことから、膜中のナノシートの配向性を制御することで性能をより向上させることができると示唆された。