2023 Fiscal Year Annual Research Report
Construction of proton conduction pathway using 3D water nanosheets and elucidation of conduction mechanism
Publicly Offered Research
| Project Area | Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions |
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| Project/Area Number |
22H04526
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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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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ジャイロイド / プロトン伝導 / 水 / 燃料電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素を基盤としたクリーン社会を実現する上で、燃料電池は中核を担うデバイスである。様々な形態の燃料電池が開発されているが、水素イオン（プロトン）伝導性高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温から中温域で活躍するシステムであり、自動車などに最適なシステムである。ナフィオン（フッ素系高分子電解質膜）を用いて非常に優れた固体高分子形燃料電池が実現されているが、更なる高機能化・低コスト化・環境調和性の改善などを実現するためには、フッ素元素に頼らないプロトン伝導膜設計技術の刷新が不可欠である。
これまで我々は、ジャイロイド曲面（界面）の三次元連続性（XYZ軸すべての軸方向へ連続している）に着目し、『この曲面上に酸性官能基と水分子を配列することができれば理想的なプロトン伝導界面となるのではないか』と着想した。低分子の自己組織化を制御することでこの着想を実現することに成功し、極めて高速なプロトン伝導性を示すジャイロイド構造膜を得ることに成功した。
当該科学研究費助成事業において、我々は、このジャイロイド構造膜内の水分子の状態とプロトン伝導機構に注力して研究を進めた。示差走査熱量測定の結果、この膜内の水分子はすべて結合水として存在していることが分かった。また、膜内の水分子のダイナミクスを中性子準弾性散乱測定によって調べたところ、これらの結合水は局所的な回転運動をしていることが分かった。これらの結果を踏まえて、ジャイロイド構造膜内のプロトン伝導機構を考察したところ、水和したスルホ基から隣接するスルホ基にプロトンが飛んでいく界面プロトンホッピング伝導機構が支配的であることが分かった。界面プロトンホッピング伝導機構支配型のプロトン伝導体を世界に先駆けて報告・実証することができた。以上の結果は、高分子科学やナノ構造材料科学の更なる発展に寄与する知見であり、学術的に極めて意義深い結果である。
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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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