| Project/Area Number |
22K14767
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 36020:Energy-related chemistry
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
Awaya Keisuke 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 助教 (10910656)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
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| Keywords | 遷移金属酸化物ナノシート / プロトン伝導体 / 自立膜 / 異方性材料 / 燃料電池 / 低次元性材料（ナノシート） / 層状遷移金属酸化物 / 層状シリケート / 層状複水酸化物（ＬＤＨ） |
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| Outline of Research at the Start |
ナノシートは層状結晶を単層剥離して得られる二次元性材料である．一枚のナノシートは，横サイズが数μmなのに対し，厚さが1 nm程度しかないため、結晶格子の全てが最表面に位置する特異な構造をもつ．本研究では，層状遷移金属酸化物や層状シリケート等より剥離したナノシートを数百～数千枚積層させたナノシート自立膜を作製し，中低温領域下(100-300 ℃)にて高いプロトン伝導度を示す燃料電池用プロトン伝導膜の開発を行う．また，ナノシートの面内にナノサイズの細孔を開けることで，ナノシートの面に対し垂直な方向にプロトンが移動可能なチャンネルとし，更なるプロトン伝導度の向上を図る．
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| Outline of Final Research Achievements |
In the present study, we evaluated the proton conductivity of transition metal oxide nanosheet free-standing membranes (Ti0.91O2, TiNbO5, Nb3O8, MnO2, Mn0.75Co0.25O2, Ca2Nb3O10, thickness: 22-32μm) along cross-sectional or in-plane directions. The maximal values for cross-sectional and in-plane direction of the membrane were 9.8×10-5 for Ca2Nb3O10 nanosheet and 6.4×10-2 S/cm for Nb3O8 nanosheet, respectively (90 ℃, 100%RH). The ratio of proton conductivities along in-plane direction over along cross-sectional direction was approximately 50-40000, which clearly reflected the restacking, anisotropic structure of the nanosheet free-standing membranes.
In the case of Ca2Nb3O10 nanosheet free-standing membrane, the values for in-plane direction were 3.4×10-3 and 3.0×10-4S/cm at 100 ℃ and 130 ℃, respectively.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
本研究では耐熱性に乏しい酸化グラフェンの代替となる二次元プロトン伝導体を探索するため、セラミックスナノシートを調査対象とした。遷移金属酸化物ナノシート自立膜は、従来のセラミックス膜としては類のない柔軟さを有するうえ、高配向な積層構造を由来とする異方的性質を示す。一般的に脱水の激しい温度域では、高いプロトン伝導度を維持することが難しいとされる。一方、セラミックスナノシート自立膜の面内方向のプロトン伝導性は100℃近傍でも10-4～10-3S/cm程度の値を示しており、積層方向を制御することで作動温度域のより広いプロトン伝導膜となり得ることを示した点において学術的意義は大きいものと考える。
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