高分子固体電解質膜における多重パーコレーション構造の構築とその固定化に関する研究

聚合物固体电解质膜多重渗流结构的构建与固定化研究

• 批准号: 16750189
• 负责人: 則末 智久
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: Kyoto Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16750189/
• 关键词: 高分子ゲル; 固体電解質膜; 原子間力顕微鏡; 架橋; ヘテロポリ酸

燃料電池へ適応可能な固体電解質膜の例として、"フッ素樹脂系電解質膜"、"スルホン化コポリマー膜"、"伝導体をドープしたハイブリッド膜"などが挙げられる。高性能電解質膜を得るために、膜中に少しでも多くのイオンを導入する事が望まれるが、化学構造の修正による性能向上はすでに限界と言われており、根本的にメカニズムの異なる電解質膜の構築が望まれている。また、膜の繰り返し使用に対する劣化や、膜が膨潤する事に伴う燃料の漏れなどが問題となっており、このような要求から架橋の導入は必要不可欠と言われている。そこで本研究では、ナノ領域のイオンチャンネル構造に加えて、ミクロン領域に及ぶ相分離や架橋構造を二重に制御し、新しいプロトン伝導材料の開発とその精密解析を行う事を本研究の目的とする。テトラエトキシシラン(TEOS)を代表とするアルコキシシランモノマーおよびその誘導体は、適当な触媒および溶媒存在下でゲルを生成する。ここでヘテロポリ酸の一種であるリンタングステン酸(PWA)を触媒として用いると、PWAが高いプロトン伝導性を有するため、得られる膜はPWAを担持した高プロトン伝導膜となる。PWAそのものが高い伝導性を有し、ナノオーダーで配位したイオンチャンネルを形成するが、それに加えて本研究ではサブミクロンオーダーのイオン伝導構造の構築を目標として研究を行ってきた。複雑系材料のミクロ構造はその名の通り、非常に解析が困難である。そこで本研究では特に、材料の形成過程における構造体の逐次特性化をめざした。本系は、架橋を伴う反応誘起相分離系であり、反応段階における微妙な濃度、温度、イオン伝導体導入量、溶媒の種類等が最終物性を大きく左右する。ナノ域、サブミクロン域の構造を原子間力顕微鏡(AFM)や小角X線散乱を用いて調べ、これらの構造形成の由来を、動的光散乱やAFMを応用した独自の反応場解析により調べた。その結果、イオン伝導体をより多く粒子内に含む構造体の成長プロセスを定量化でき、逆に機能性分子が漏れ出される反応プロセスを区別することができた。この課題により、ナノ域のチャンネル構造はもちろん、他の階層領域の構造形成に関する知見が得られたので、今後この手法を用いて様々な材料開発が産官学で行えるようになると期待できる。

适合燃料电池的固体电解质膜的例子包括“氟树脂电解质膜”，“磺化共聚物膜”和“指导型混合膜”。为了获得高性能的电解质膜，希望将尽可能多的离子引入膜，但据说通过修改化学结构的性能改善已经达到了极限，并且希望使用根本不同的机制构建电解质膜。此外，由于膜的反复使用和由于膜肿胀而导致的燃料泄漏而导致的恶化正在成为一个问题，据说由于这种需求，交联引入至关重要。因此，在这项研究中，这项研究的目的是双方控制相位分离和交联结构，除了纳米层的离子通道结构外，还要延伸至微米区域，并开发新的质子传导材料并进行精确的分析。四乙氧基硅烷（TEOS）及其衍生物代表的烷氧基硅烷单体在存在合适的催化剂和溶剂的情况下形成凝胶。在这里，当将一种杂多酸的磷酸苯甲酸苯甲酸（PWA）用作催化剂时，PWA具有较高的质子电导率，并且所得的膜变成了携带PWA的高质子导电膜。 PWA本身具有很高的电导率，并形成了在纳米级上协调的离子通道，但是除此之外，这项研究的目的是构建亚微米级的离子传导结构。顾名思义，复杂材料的微观结构极为难以分析。因此，这项研究特别旨在在材料形成过程中依次表征结构。 This system is a reaction-induced phase separation system with crosslinking, and the final physical properties are greatly influenced by the subtle concentration, temperature, amount of ionic conductor introduced during the reaction stage, and the type of solvent, etc. The structures in the nano and submicron regions were examined using atomic force microscopy (AFM) and small-angle X-ray scattering, and the origin of these structure formation was investigated using unique reaction field analysis using动态光散射和AFM。结果，量化了颗粒中包含更多离子导体的结构的生长过程，相反，可以区分功能分子的反应过程。这个问题不仅提供了有关纳米区域的渠道结构的知识，而且还提供了其他分层区域的结构形成，因此希望工业，政府和学术界将来能够开发各种材料。