| 研究領域 | ハイドロジェノミクス：高次水素機能による革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成 |
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| 研究課題/領域番号 |
21H00020
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| 研究機関 | 北陸先端科学技術大学院大学 |
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研究代表者 |
長尾 祐樹 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (20431520)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 電極触媒界面 / 界面イオン輸送 / 分子配向性 / 高分子電解質 |
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| 研究実績の概要 |
R3年度は、界面における高分子電解質のプロトン伝導性と分子配向の相関を調べた。対象とするプロトン伝導性高分子電解質は、Aquivion(EW1000)を選択し、Nafionをベンチマーク材料とした(EW : 等価重量)。炭素電極や白金電極上でのプロトン伝導性の評価に関して、これまでの研究代表者の強みである技術をさらに発展させることに成功した。
R3年度前半は、従来の実績に基づき基板上に島状に電極触媒を担持する方法を検討した。白金電極触媒ではイオン伝導性や分子配向の評価が可能であったものの、炭素電極では電子伝導の抑制が課題となり再現性良くイオン伝導性を評価することが難しいことがわかった。そのためR3年度後半は、リソグラフィ技術を用いることで、櫛形電極間内部に適当な電極や電極触媒を埋め込むことで高分子電解質の電極界面のイオン伝導性評価の技術を開発した。これにより、課題であった炭素電極の電子伝導性を十分に抑制することが可能となり、再現性も飛躍的に向上した。さらに、測定環境に水素雰囲気における加湿制御技術を検討し、測定雰囲気を制御した状態で界面イオン伝導性を評価する技術を開発した。これにより、測定雰囲気制御において予想外の特異なイオン輸送現象を見出したため、次年度において電気化学として理解するための方法を探索するとともに、説明ができない場合は新たな学術理論についても検討を実施する予定である。また、赤外多角入射分解分光法(IR pMAIRS)による白金電極触媒や炭素電極界面での高分子電解質薄膜の分子配向評価技術の開発を行った。
界面イオン輸送で著名なカルガリー大のKaran教授の研究グループとの共同研究を開始した。
関連する論文発表は7件（うち国際共著3件）、学会発表は31件（うち招待講演は2件）実施した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
リソグラフィ技術と水素活性電極を組み合わせることで、再現性を向上させ、炭素電極界面における高分子薄膜の界面プロトン伝導度を評価する新しい基盤技術を開発することに成功した。そのプロトン伝導性は測定雰囲気によって異なるインピーダンス特性を示すことが新たに見出された。これは研究計画当初は想定していなかった大きな発見である。またこれを達成したことで、本研究の目的である実環境により近い状況で、炭素電極界面における界面組織構造や分子配向とプロトン伝導性の相関を議論することができるようになった。
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| 今後の研究の推進方策 |
R3年度に得られた特異な界面イオン輸送について、電気化学として理解する方法を探索するとともに、説明ができない場合は新たな学術理論についても検討を実施する。また、白金電極や炭素電極界面での高分子電解質薄膜の分子配向についても検討する。評価のための測定は、界面におけるプロトン伝導度と分子配向に加え、含水量、酸解離状態、相分離のモルフォロジーや分布に関する知見を得るために、インピーダンス法、赤外多角入射分解分光法(IR pMAIRS)、赤外透過IR分光法、水晶振動子マイクロバランス法(QCM)、斜入射X線小角散乱法(GISAXS)、中性子反射率等を用いる。このうちIR pMAIRSについては、加湿下で測定が行える装置開発を進める予定である。
共同研究体制は、前年度得られた結果をもとに、界面イオン輸送で著名なカルガリー大のKaran教授の研究グループとの共同研究を本年度も継続する。共同研究成果を国際共著論文としてまとめ、出版することを目指す。
また、前年度と同様に本年度も新学術領域内で共同研究を推進する。
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