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

开发中低温陶瓷纳米片质子导体

基本信息

批准号：
22K14767
负责人：
粟屋恵介
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Kumamoto 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 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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。

陶瓷纳米片是通过单层去除分层金属氧化物或类似物获得的二维纳米材料。一个纳米片的厚度约为1 nm，具有独特的结构，其中所有晶体晶格都位于最外面的表面。剥皮的纳米片可以通过自旋涂层或过滤来重叠，并取决于层的数量，可以获得具有高机械强度和柔韧性的自支撑膜。在这项研究中，我们将使用陶瓷纳米片自支持的膜开发质子导电膜。先前的研究报道了氧化石墨烯独立膜上的高质子电导率（0.001-0.1 s/cm），与Nafion相当。然而，氧化石墨烯的热电阻较差，因此，在100°C以上的区域中，电导率显着降低，另一方面，陶瓷纳米片具有相当于氧化石墨烯的高方面结构，但在热耐药性方面也很出色，因此即使在中低温区域（100-300°C）也可能表现出很高的电导率。在进行这项研究时，通过过滤制备了由各种纳米片（例如氧化钛和氧化钙）组成的独立膜。独立电影的垂直和反射性X射线衍射（XRD）模式证实了纳米片的定向和堆叠的状态。在质子电导率测量中，氧化钙纳米片在各种纳米片中显示出更高的值。在用酸处理氧化钙氧化钙纳米片自制膜后，在100°C的条件下对燃料电池进行评估，相对湿度（RH）为100％，并以1.7 mA/cm2的最大电流密度为1.7 mA/cm2，电动电力为0.90 V，最大功率为0.90 V，并且最大功率密度为0.38 mW/cm2。此外，当事先对氧化钙纳米片进行冷冻干燥时，获得了更高的电导率，这表明可以通过控制膜中纳米片的方向进一步提高性能。