有機-無機界面の高速プロトン伝導現象を利用した固体高分子形燃料電池の開発

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前年度に解明した、スルホン酸基を密集させることで発現する界面現象を解析し、酸高密度構造であればどのような種類でも起こる現象であることを突き止め、新たにPacked-acid mechanismと名づけた。これまで合成してきた材料ではPacked-acid mechanismが発現しているものの、支配的であるとは言えない材料であった。Packed-acid mechanismがより支配的になる材料の合成を目的として、Packed-acid mechanismがより発現しやすい条件を量子化学計算で解析し、その条件の詳細を突き止めた。バルク水モデルを用いて、プロトンドナーは水素結合を1つ介して隣り合った場合でもPacked-acid mechanismを生じることを示し、水和水λ=3程度の酸高密度構造でPacked-acid mechanismが支配的になることを解明している。さらに、酸官能基や酸官能基が修飾された骨格分子の、Packed-acid mechanismへの影響を解析している。これによって、よりPacked-acid mechanismを引き起こしやすい材料設計指針として、4.1Å以内に酸が存在すること、水和水λ=3程度、リン酸基(-PO_3H_2)の利用が望ましいことを示している。そして上記材料設計指針を基に、Packed-acid mechanismが支配的になる新たな材料Zirconium Hydroxyethylidinediphosphonate (ZrHEDP)の合成を行った。合成条件を制御することによって、-PO_3H_2の存在量が多い材料の合成に成功した。-PO_3H_2の存在量が多いZrHEDPはλ=2～4となり、特異的なプロトン伝導性を示した。通常のプロトン伝導体であれば湿度に対して指数的に依存するプロトン伝導性に対して、ZrHEDPは線形的な依存となり、95%RHから40%RHに変化させても伝導性が60%程度にしか減少しなかった。他の伝導体に比べて湿度依存性が非常に低いと言える。Packed-acid mechanismが支配的な場合に現れる実験的物性を示している。