三相界面の次元拡張を実現するジャイロイド構造膜の開発
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21H02010
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 35030:Organic functional materials-related
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
一川 尚広 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80598798)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
廣田 雄一朗 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60632437)
渡辺 豪 北里大学, 未来工学部, 教授 (80547076)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2021: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
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| Keywords | 燃料電池 / プロトン伝導 / 三相界面 / ジャイロイド / 液晶 / イオン液体 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、双連続キュービック液晶が形成する三次元連続性を持った立方周期ナノ構造（ジャイロイド構造）の利用に着目した。このナノ構造を利用して、『三次元の連続性を有する燃料ガス輸送チャンネル』と『三次元の連続性を有するプロトン伝導界面』を同一立方格子内に創る革新的技術を開発し、燃料ガス輸送相と電解質輸送相を同一の擬似一次相内に融合することを目指す。更に、電極上の白金触媒表面をこのような擬似一次相で覆うことで、白金ナノ粒子の表面全体を反応活性点に変換する方法論を開発し、燃料電池デバイスの革新を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
温室効果ガスの排出削減を実現する上で、炭素に頼らないエネルギーシステムの開発は重要である。水素社会を構築する上で、水素をエネルギーに変換する燃料電池デバイスは鍵となるテクノロジーである。優れた燃料電池を創成するためには、燃料電池の部材である電極・電解質・セパレータ・触媒などの個々の設計も重要であるが、それらの部材の『接合』を制御することも極めて重要である。特に、『燃料相/電解質相/触媒相の三相の全てが接する界面（三相界面）』は反応活性点として機能する点であり、この『三相界面』を如何に多量に系中に作り出すかは発電効率に強く関与する因子である。
当該科学研究費助成事業において、我々は、重合性の液晶を用いたジャイロイド構造膜を利用した三相界面の設計を着想した。ジャイロイド構造中における三次元極小界面をプロトンが、三次元ナノチャンネルを水素ガス（または酸素ガス）が通るような材料を開発することができれば三相界面の拡張に最適な高分子材料を生み出せるのではないかと着想した。様々な分子設計を進める中で、三次元極小界面をプロトンが界面ホッピング伝導で高速に伝導する材料を構築することができた。この設計を基に、三次元ナノチャンネルにアルカンを埋め込んだ状態で液晶分子を重合固定化し、アルカンを除去することで、水素ガス（または酸素ガス）の通り道を構築することを試みた。作製した材料は、確かに水素ガス透過性を示すことが分かったが、ガスの通り道であるナノ空隙は、材料の構造緩和に伴い閉じてしまうことを示唆するような結果も得られた。このような構造緩和を抑制する様々な方法論に挑戦した。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(28 results)
