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2016 年度 実施状況報告書

高分子薄膜に含まれる微量水が高分子構造や機能性に与える影響の解析手法の確立

研究課題

研究課題/領域番号 26810075
研究機関京都大学

研究代表者

下赤 卓史  京都大学, 化学研究所, 助教 (40609921)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2018-03-31
キーワードフッ素化学 / ダイポールインタラクティブ / 表面電位測定 / Nafion膜 / パーフルオロアルキル鎖
研究実績の概要

前年度までに,プロトン伝導性高分子膜の代表であるNafion膜の,性能を支配する膜中の水分子について調べ,Nafion膜中の親水性サイトであるスルホン酸基に水和した水の構造を明らかにした.今年度は,Nafion膜の大部分を構成するパーフルオロアルキル(Rf)鎖の,プロトン伝導性における役割を調べる研究を行った.これまでRf鎖の部分は,水分子が一切入り込まない“疎水性コア”として考えられてきた.しかし,最近Rf鎖の凝集性が低下した部分は双極子相互作用支配の性質が現れ,分子水やクラスタサイズの水に対して親和性を示すことが明らかになった.Nafion中のRf鎖は分岐構造を有し,凝集していない“孤立鎖”として存在するパートが多いと予想される.そこで,Rf鎖が孤立鎖で存在する際の水に対する相互作用を調べる研究を行った.
具体的には,凝集性が極めて低くRf孤立鎖としての性質を示す,CF2基の数が3および5のRf鎖を末端に有する両親媒性分子の水面上での吸着構造を表面圧・表面電位測定で調べた.その結果,Rf孤立鎖は水の表面に強く吸着し,容易には脱離しないことがわかった.Rf鎖は水への溶解性が低い点で,この性質は親水性とは異なる.水表面には水素結合が形成していないダングリングOH結合が多数存在するため,このOH基とRf鎖が双極子-双極子相互作用を通じて吸着していることがわかり,この性質をRf孤立鎖のダイポールインタラクティブ性と呼んでいる.
この研究内容は国内の界面化学,フッ素化学等の学会で講演し,国際的な学術誌に発表した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本課題を構成する2つのテーマのうち,「Nafion膜内の水分子の解析」は,予定していた親水性パートに関する研究だけでなく,疎水性と考えられてきたパーフルオロアルキル鎖にも注目した研究を行った.その結果,両パートの役割について統合的に議論でき,想定していた以上の成果を上げることができた.
もうひとつのテーマである「溶液中の高分子構造におよぼす微量水の影響」について,刺激応答性高分子の構造解析の研究を進めており,このテーマのまとめを次年度に行う.

今後の研究の推進方策

パーフルオロアルキル化合物特有の物性として,酸素・二酸化炭素吸蔵能があげられ,これらの性質もRf鎖の双極子相互作用支配の性質を考慮して検討する必要がある.今後はこれらガス分子の吸着に関しても取り組む予定である.

次年度使用額が生じた理由

本課題のテーマの1つである「プロトン伝導性高分子膜中の水分子の解析」に関し,本来想定していた親水性サイトの解析に加え,疎水性コアと見なされていた,パーフルオロアルキル鎖に関する研究も追加で行った.その結果,もう1つのテーマである「刺激応答性高分子に含まれる微量な水の解析」に関する研究が遅れており,次年度にこの研究・まとめをおこなう.

次年度使用額の使用計画

H29年度に取り組むテーマは,高分子溶液中に含まれる微量な水分子に着目した解析を行う.具体的には赤外分光およびNMR測定を行うが,実験器具や試薬等の消耗品代や,NMRの利用費に充てる予定である.

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 謝辞記載あり 4件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 1件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Fringe and Noise Reductions of pMAIRS Spectra Using Principal Component Analysis2017

    • 著者名/発表者名
      Nobutaka, Shioya, Takafumi Shimoaka, and Takeshi Hasegawa
    • 雑誌名

      Analytical Sciences

      巻: 33 ページ: 117-120

    • DOI

      10.2116/analsci.33.117

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Synthesis of a distinct water dimer inside fullerene C702016

    • 著者名/発表者名
      Rui Zhang, Michihisa Murata, Tomoko Aharen, Atsushi Wakamiya, Takafumi Shimoaka, Takeshi Hasegawa and Yasujiro Murata
    • 雑誌名

      NATURE CHEMISTRY

      巻: 8 ページ: 435-441

    • DOI

      10.1038/NCHEM.2464

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Surface properties of a single perfluoroalkyl group on water surfaces studied by surface potential measurements2016

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Shimoaka, Yuki Tanaka, Nobutaka Shioya, Kohei Morita, Masashi Sonoyama, Hideki Amii, Toshiyuki Takagi, Toshiyuki Kanamori, Takeshi Hasegawa
    • 雑誌名

      Journal of Colloid and Interface Science

      巻: 483 ページ: 353-359

    • DOI

      10.1016/j.jcis.2016.08.055.

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Comprehensive Understanding of Structure-Controlling Factors of a Zinc Tetraphenylporphyrin Thin Film Using pMAIRS and GIXD Techniques2016

    • 著者名/発表者名
      Miyako Hada, Nobutaka Shioya, Takafumi Shimoaka, Kazuo Eda, Masahiko Hada, and Takeshi Hasegawa
    • 雑誌名

      Chemistry - A European Journal

      巻: 22 ページ: 16539-16546

    • DOI

      10.1002/chem.201603291

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Molecular structural analysis of hydrated ethylene glycol accounting for the antifreeze effect by using infrared attenuated total reflection spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Shimoaka, Takeshi Hasegawa
    • 雑誌名

      Journal of Molecular Liquids

      巻: 223 ページ: 621-627

    • DOI

      10.1016/j.molliq.2016.08.097

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] プロトン伝導性高分子に含まれる水の新しい描像2017

    • 著者名/発表者名
      下赤卓史
    • 学会等名
      ソフトマターを中心とした材料科学の基礎と応用
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      2017-03-22 – 2017-03-22
    • 招待講演
  • [学会発表] パーフルオロアルキル化合物が示す鎖長に依存するCF伸縮振動バンド特有のシフト2017

    • 著者名/発表者名
      下赤卓史,園山正史,網井秀樹,高木俊之,金森敏幸,長谷川健
    • 学会等名
      日本化学会第97春季年会
    • 発表場所
      神奈川
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-17
  • [学会発表] 「分光スペクトルを読み解く」,「ケモメトリックスの基礎と応用」2017

    • 著者名/発表者名
      下赤卓史
    • 学会等名
      日本分光学会スペクトル解析部会 第1回シンポジウム
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2017-01-20 – 2017-01-20
    • 招待講演
  • [学会発表] パーフルオロアルキル鎖特有の連成振動を考慮したラマンバンドの帰属2016

    • 著者名/発表者名
      下赤卓史,泉直毅,田中悠基,園山正史,網井秀樹,高木俊之,金森敏幸,長谷川健
    • 学会等名
      第39回フッ素化学討論会
    • 発表場所
      佐賀
    • 年月日
      2016-09-29 – 2016-09-29
  • [学会発表] Study on the Molecular Interaction of Hydration Water with the Sulfonic Acid Group Involved in Nafion2016

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Shimoaka, Chihiro Wakai, Takeshi Hasegawa
    • 学会等名
      SciX2016
    • 発表場所
      Minneapolis(MN), USA
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-19
    • 国際学会
  • [学会発表] 多変量解析を利用した溶液解析2016

    • 著者名/発表者名
      下赤卓史
    • 学会等名
      日本分光学会 第52回夏期セミナー「赤外分光法のフル活用」
    • 発表場所
      千葉
    • 年月日
      2016-09-07 – 2016-09-07
    • 招待講演
  • [学会発表] 赤外分光法とNMRを用いたNafion膜に含まれる3種の水の構造解析および水和数評価2016

    • 著者名/発表者名
      下赤卓史,若井千尋,長谷川健
    • 学会等名
      日本分光学会年次講演会
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2016-05-24 – 2016-05-24
  • [学会発表] 赤外分光法と多変量解析による水-エチレングリコール混合溶液中の会合体の構造解明と不凍メカニズムの解明2016

    • 著者名/発表者名
      下赤卓史,長谷川健
    • 学会等名
      サーモフィッシャーサイエンティフィック FT-IR・ラマンユーザーズフォーラム2016
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2016-05-18 – 2016-05-20
  • [備考] 京都大学化学研究所 分子環境解析化学領域ホームページ

    • URL

      http://www.scl.kyoto-u.ac.jp/~yoeki/

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公開日: 2018-01-16  

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