2021 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions |
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| Project/Area Number |
18H05515
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
宮武 健治 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (50277761)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福井 賢一 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (60262143)
小柳津 研一 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90277822)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 水素 / ハイドロジェノミクス / 高次水素機能 / 創蓄電デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
芳香族高分子の部分フッ素化とスルホン酸化高密度化を組み合わせることにより、従来よりも水分子を効果的にプロトン伝導に利用できる薄膜の開発に成功した。特に、高温・低湿度条件において従来のプロトン伝導膜に比べて数倍以上高い伝導度を達成した。公募研究とも連携しながら、様々な基板上におけるプロトン導電性薄膜の構造と物性の湿度依存性を明らかにすることができた。
水素貯蔵を担う高分子の具体例を拡大するため，水素貯蔵に関わる双安定性を指標に，多様な化学構造へ展開した。従来までのフルオレノン置換高分子に加え，アセトンなどの脂肪族ケトンを側鎖に有する高分子，キノキサリン等の含窒素複素環を反応部位とする高分子で，水素圧に応じた可逆的な水素貯蔵を実証した。特に，ジメチルキノキサリンを置換した高分子では高速水素発生を担うことを，前年度までに確立した反応速度定数の解析から明確にした。
水素吸蔵・放出プラスチック薄膜が金属電極および電解液と形成する各界面での充放電過程におけるプロトンおよび電子の素過程と移動能を，界面選択的電子励起分光法および全ての薄膜領域情報を含む電子励起分光法を組み合わせることにより解析し，各過程のボトルネックとなる要素を顕在化させることができた。
アノード構造やプロトン導電性薄膜を最適化することにより、リチャージャブル燃料電池の高性能化に取り組んだ。さらに、レドックス活性分子をアノードに組み込んだ燃料電池セルを設計、作製した。二次電池と同様に充放電可能なリバーシブル燃料電池の原理実証に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
他計画研究や公募研究とも連携しながら、計画を前倒して以下の重要成果を得た。
・疎水性置換基を適切に置換した高分子構造中にプロトンを高密度導入することにより、高プロトン導電性高分子の新たな設計指針に繋げた。超薄膜のプロトン導電性高分子薄膜の物性変化を明らかにした。
・高分子の双安定性構造を利用して、高速かつ高密度に水素を吸蔵・放出できるプラスチックシートの開発に成功した。これまで取り組んできたフルオレノンに替えて含窒素複素環を反応部位とすることで、水素圧に応じた可逆的な水素貯蔵を達成した。
・界面選択的電子励起分光法および電子励起分光法を用いて水素貯蔵高分子シートと電極/電解質溶液界面の構造変化を解析し、プロトンおよび電子移動の律速過程を明らかにした。
・前年度までのリチャージャブル燃料電池の高性能化に取り組むと共に、レドックス活性分子を利用した新しいリバーシブル燃料電池の原理実証に取り組んだ。
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| Strategy for Future Research Activity |
本計画研究では５年間の間に、水素高速移動機能の高度化（ステージⅠ）、学問分野の枠を超えた水素機能の融合（ステージⅡ）、領域全体での多彩な高次水素機能の誘起（ステージⅢ）に順次取り組んできた。昨年度までにステージIIIの研究が順調に進捗しており、最終年度は高次水素機能の誘起に基づく創蓄電デバイスの高性能化を目指す。
・プラスチック薄膜中におけるプロトン高密度化と高速移動：スルホン酸化ポリフェニレン誘導体におけるモルフォロジーの詳細解析からイオンチャンネルの形成方法を構築し、プラスチック薄膜中における高速プロトン移動を達成する。
・双安定性を利用したプロトンの高速移動：水素付加・脱離の反応速度を，擬一次反応速度定数から定量的に比較し，双安定性と高出力特性を併せ持つ高分子を設計・動作実証する。前年度までにA04の藤田らとの連携により明らかにしたブタンジオール/γ-ブチロラクトン間での高速水素発生反応を展開し，高分子に組み込んだ構造でラクトン環からなる化学構造の形成過程を明確にする。高分子の場における水素発生の活性化エネルギーを求め，高出力プラスチックシートを与える構造要件を明確にする。
・界面構造の解析による触媒機能の活性化：水素貯蔵プラスチック薄膜が金属電極および電解液と形成する各界面でのプロトンおよび電子の移動素過程のボトルネックとなる要素が顕在化してきた。プラスチック薄膜の膨潤度，親・疎水性，移動能に関わる水素貯蔵官能基の相対位置を変えた試料の測定・解析を進め，ボトルネックの解消による高速・高効率充放電を目指す。
・新発想エネルギーデバイスへの展開：領域全体で連携しながら水素の多彩な高次機能を組み合わせた新規な創蓄電デバイスである「リチャージャブル燃料電池」や「リバーシブル燃料電池」の更なる高性能化を目指すとともに、既存エネルギーデバイスと比較した優位性を確立する。
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[Journal Article] Effect of Water Management in Membrane and Cathode Catalyst Layers on Suppressing the Performance Hysteresis Phenomenon in Anion-Exchange Membrane Fuel Cells2022
Author(s)
K. Otsuji, Y. Shirase, T. Asakawa, N. Yokota, K. Nagase, W. Xu, P. Song, S. Wang, D. A. Tryk, K. Kakinuma, J. Inukai, K. Miyatake, M. Uchida
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Journal Title
J. Power Sources
Volume: 522
Pages: 230997
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Molecular crystalline capsules that release their contents by light2021
Author(s)
A. Nagai, R. Nishimura, Y. Hattori, E. Hatano, A. Fujimoto, M. Morimoto, N. Yasuda, K. Kamada, H. Sotome, H. Miyasaka, S. Yokojima, S. Nakamura, K. Uchida
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Journal Title
Chemical Science
Volume: 12
Pages: 11585-11592
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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