2014 Fiscal Year Annual Research Report
高分子ナノ組織体に形成される2次元ナノ空間場を用いた超イオン伝導材料の創製
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26286010
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
松井 淳 山形大学, 理学部, 准教授 (50361184)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永野 修作 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40362264)
源明 誠 富山大学, その他の研究科, 助教 (70334711)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 二次元界面 / プロトン伝導 / ナノ空間 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
燃料電池は、高効率、低環境負荷の発電システムであるため、持続可能な社会の実現に向けた新たなエネルギーとして期待が大きい。燃料電池の普及のために電解質膜の高性能化と低コスト化は必須であり、我々は高分子の構造制御による高性能化を試みている。そこで、本研究ではLangmuir-Blogett（LB）法を用いて二次元の界面制御による高速プロトン伝導の実現を目指し、イオン伝導部位を有する両親媒性高分子の合成とLB法による高分子ナノシートの構築を行い、そのイオン伝導性について検討した。N-dodecylacrylamide (DDA)とカルボキシ基を有するアクリル酸を共重合することで、イオン伝導部位を含有するアクリルアミド系高分子p(DDA/AA)を合成し、その水面上単分子膜挙動について表面圧ー面積等温曲線測定により検討した。合成したp(DDA/AA)は、FT-IR測定によりアクリル酸の導入を確認し、元素分析によりアクリル酸の導入率を50%と決定した。XRD測定の結果、高分子ナノシートの層構造に由来する強いブラッグピークが観察され、層構造を維持した高分子ナノシートを基板上に良好に構築できたことが確認できた。Auくし形電極上に30層のp(DDA/AA)ナノシートを作製し、RH=98%、60℃で膜平面方向のイオン伝導度を測定したところ、伝導度は加湿時間とともに増加し最終的に0.051S/cmという高いイオン伝導度が得られた。これは加湿によって水分子がp(DDA/AA)ナノシート中の親水層間に入り込み、二次元の伝導パスを形成したためと考えられる。p(DDA/AA)ナノシートの活性化エネルギーは、0.34 eVであった。これにより、p(DDA/AA)ナノシートの膜の平面方向では、Grotthussメカニズムでプロトン伝導が行われていると考えられる。
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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
プロトン伝導部位を有する高分子Langmuir-Blodgett(LB)膜の作製に成功し、さらにLB膜組織体に形成される2次元ナノ界面がプロトン伝導場として利用できることが明らかとなり、またその活性化エネルギーが非常に小さいことを見出した。当初2年間で行う内容を初年度で達成し、計画以上に進行している。
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| Strategy for Future Research Activity |
LB膜組織体に形成される2次元ナノ界面がプロトン伝導場として利用できることが明らかとなったので、今後は含有率に伴う伝導度、活性化エネルギーの違い、また伝導度の違法性について検討する。
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| Causes of Carryover |
H26年度においてはカルボキシ基を導入した高分子Langmuir-Blodgett膜がNafionと同等のプロトン伝導を示すことを見いだした。またプロトン伝導の含有率依存性を検討したところ、プロトン伝導度は含有率が減少するにつれて減少するのに対し活性化エネルギーに関しては20%までは一定であることを見いだした。一方で含有率が20%のものにおいては50度においてプロトン伝導が飽和する興味深い現象を見いだした。この興味深い現象を解明することに研究を展開したため、他のイオン伝導部位を有する両親媒性高分子の合成を行うことが出来なかったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
低含有率における、プロトン伝導の飽和現象を明らかにするために、新たな高分子の合成に使用する。また多様な高分子Langmuir-Blodgett膜の構造解析が必要となったため、FT-IR, GI-SAX測定および研究分担者との打ち合わせに用の旅費として用いる。
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