メソレベルの分相組織を利用する高プロトン伝導性無機-有機コンポジットの作製と評価

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450274
• 研究機関: 武蔵工業大学
• 研究代表者: 永井 正幸 武蔵工業大学, 工学部, 教授 (80112481)
• 研究分担者: 松田 元秀 岡山大学, 環境理工学部, 助教授 (80222305)
• キーワード: 分相組織 / プロトン伝導 / シロキサン / シラン / コンポジット / ゾル-ゲル法 / リンアルコキシド / シリコンアルコキシド

研究概要

これまで相分離現象を利用した無機材料に関しては、多孔質セラミックスにみられるように、相分離した後に一方の成分を溶解したり有機成分を除去したりするなどの分離後の後処理を必要とすることが一般的であった。本研究においては、調製したままの組織と構造、すなわちナノメートルレベルでの絡み合い構造を有する相分離を利用して、プロトン伝導度の増大と機械的強度或いは化学的耐久性を両立できるプロトン伝導性コンポジットの作製と評価を行った。ゾル-ゲル法を用いて、ポリジメチルシロキサン、3-イソシアナートプロピルトリエトキシシラン、シリコン及びリンアルコキシドを主成分として、プロトン供与源としてケイタングステン酸を添加して試料を調製した。組織と構造に関しては、赤外分光法とNMRを用いて解析を行った。ポリジメチルシランの水酸基とテトラエトキシシランの加水分解により生成されるシラノール基が共有結合を形成することにより、相分離を起こすと推定した。一方、テトラエトキシシランを加水分解した後で、3-イソシアナートプロピルトリエトキシシランと混合することにより、ポリシロキサンはクロスリンク的に水酸基と水素結合を形成し、プロトン伝導性を示さないポリジメチルシロキサンと無機物が相溶化するために、プロトン伝導性が低下した。実際に、この結果はポリジメチルシロキサンが柔軟な組織を形成し、クロスリンクしたシロキサンが剛直な組織を形成するという報告と一致している。さらに、ウレタン結合をしたポリジメチルシロキサンは、数ナノメートルの界面相を形成する可能性も残されている。プロトン伝導性は、プロトン供与源となるタングストリン酸やリン酸基及びシラノール基がクロスリンクしたシラン基に静電的或いは部分的に共有結合することにより発現すると考えられる。相分離した試料と分離していない試料とでは、電気伝導度に顕著な差が認められた。相分離した試料では、50〜100℃の温度領域で10^<-2>S/cm程度の非常に高い伝導性を示したのに対して、非相分離試料はそれよりも3桁程度低い値となった。このように、相分離により伝導性を示す領域と非伝導性で機械的な強度を保持するのに寄与する領域が共存するというモデルを支持する結果が得られた。

研究成果

• [文献書誌] Y-I.Park, J-D.Kim, M.Nagai: "Proton conductivity in sol-gel derived silicophosphate PMA glasses"J. of Materials Letters. 19・9. 2251-2253 (2001)
• [文献書誌] Y-I.Park, J-D.Kim, M.Nagai: "Proton exchange membranes of inorganic nanocomposites"Trans. of Mater. Soc. Jpn. 26・1. 67-70 (2001)
• [文献書誌] Y-I.Park, J-D.Kim, M.Nagai: "A novel proton exchange nonocomposite membranes derived from 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane and α-zirconium phosphate hydrate"Trans. of Mater. Soc. Jpn. 26・1. 71-74 (2001)
• [文献書誌] Y-I.Park, J-D.Kim, M.Nagai: "H_2 oxidation of PEMFC operated on reformed gas"Trans. of Mater. Soc. Jpn. 26・1. 55-58 (2001)
• [文献書誌] Y-I.Park, M.Nagai: "Proton conducting properties of inorganic-organic nanocomposites : proton exchange nanocomposite membranes based on 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane and tetraethylorthosilicate"J. of Electrochem. Soc.. 148. A616-A626 (2001)
• [文献書誌] J-D.Kim, Y-I.Park, K.Kobayashi, M.Nagai: "Characterization of CO tolerance of PEMFC by AC impedance spectroscopy"Solid State Ionics. 140. 313-325 (2001)
• [文献書誌] J-D.Kim, Y-I.Park, M.Nagai: "Effect of CO gas and anode-metal loading on H_2 oxidation in proton exchange membrane fuel cell"J. of Power Sources. 103. 127-133 (2001)
• [文献書誌] Y-I.Park, M.Nagai: "Proton exchange nanocomposite membranes based on 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, silicotungustic acid and α-zirconium phosphate hydrate"Solid State Ionics. 145. 149-160 (2001)
• [文献書誌] M.Nagai, S.Soma, S.Iiyama, M.Nagai: "Fabrication and evaluation of highly proton-conductive inorganic-organic composites"Key Engineering Mater.. (In press). (2003)
• [文献書誌] M.Matsuda, K.Abe, M.Miyake: "Intercalation of silver and iodine into layered Bi-based compound"Trans. of Mater. Soc. Jpn. 26・1. 59-62 (2001)
• [文献書誌] T.Sekine, M.Matsuda, M.Miyake: "Preparation of FAU type zeolite membranes by electrophoretic deposition and their separation properties"J. Mater. Chem.. 12. 366-368 (2002)
• [文献書誌] M.Miyake, M.Yoshio, M.Matsuda: "Incorporation of zinc atoms into gallophosphate molecular sieve"Phosphorus Res. Bull.. 13. 181-186 (2002)
• [文献書誌] M.Matsuda, K.Abe, T.Tamori, M.Miyake: "Designing a new intercalation compound on a van der Waals type of layered Bi-based compound"Key Engineering Mater.. 228-229. 273-276 (2002)
• [文献書誌] M.Yoshio, M.Matsuda, M.Miyake: "Preparation and characterization of zinc-doped gallophosphate molecular sieve"J. Mater. Res.. 17. 2672 (2002)
• [文献書誌] T.Sekine, M.Matsuda, M.Miyake: "Fabrication of Y-type zeolite films by electrophoretic deposition"Solid State Ionics. 151. 123-127 (2002)
• [文献書誌] M.Matsuda, K.Abe, M.Miyake: "Soft chemical synthesis and conduction properties of new layered bismuth-based compound incorporated with silver and iodine elements"Solid State Ionics. 154-155. 413-418 (2002)