2017 Fiscal Year Annual Research Report
Nano-structure control for polymer electrolytes based on block copolymers
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17H03119
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
陸川 政弘 上智大学, 理工学部, 教授 (10245798)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ブロック共重合体 / ミクロ相分離 / 高次構造 / 配向性 / NMR / 拡散係数 / ガス透過 / 燃料電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)ブロックおよびグラフト型共重合体の精密合成：親水性ブロックと疎水性ブロックの構造が異なるジブロック型高分子電解質を系統的に合成した。親水性ブロックでは、フェニルスルホン酸を極性基として有するブロックに加え、新たにアルキルスルホン酸を極性基として有する親水性ブロックの合成に成功した。疎水性ブロックでは、アルコキシ基を有するブロックに加えて、エーテル基を導入した疎水性ブロックの合成に成功した。
(2)系統的なミクロ相分離構造の解析：親水・疎水性ブロックの組成と総分子量を変化させたジブロック型高分子電解質を用いて、Synchrotron SAXSと高分解能TEMによる高次構造の観察を行った。精密に合成したジブロック型高分子電解質を用いることにより、Synchrotron SAXSと高分解能TEMのいずれにおいても明瞭にその高次構造を観察することができた。また、３次元の高分解能TEMを用いることにより、ミクロ相分離構造の配向性の観察とその定量化が可能であることが明らかになった。これらにより、親水・疎水性ブロックの組成と総分子量に対する高次構造の関係を明らかにすることができた。
(3)物理的手法によるナノ構造・配向制御法の構築：膜作成プロセスにおける温度、湿度、基板、溶媒種等の条件による制御、また結晶性ブロックの配向性を利用した化学エピタキシャル配向を試みた。その結果、膜作成プロセスにおいては、温度、湿度、基板等の条件より、キャスト溶媒による効果が最も高く、溶媒種の選択によってミクロ相分離構造の明瞭化と配向化が可能であることを明らかにした。膜面内、膜厚方向のプロトン伝導率の測定に加えて、イメージングプローブを用いた３次元のPulsed field gradient NMRの測定技術の確立を検討し、膜面内、膜厚方向の水の自己拡散係数の測定が可能であることを明らかにした。
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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
当初予定していた（１）ブロックおよびグラフト型共重合体の精密合成、（２）系統的なミクロ相分離構造の解析、（３）物理的手法によるナノ構造・配向制御法の構築の三つの研究項目において、高いレベルで研究目的を達成することができた。高分子電解質材料の化学構造、分子量、組成の各系統性がかなり広がり、化学構造と物性の関係解明を容易にすることができてきた。さらに、次年度の予定としていたPulsed field gradient NMRを用いた水の自己拡散係数の評価、並びにイメージングプローブを用いた３方向（膜面に対してｘ、ｙ、ｚ方向）の水の自己拡散係数の評価にも着手できており、次年度の研究計画も順調に行えることを明らかにできた。これより、当初の研究計画より半年程度早く研究を遂行できていると判断している。
これらの研究進捗により、さらにモデル電解質材料のバリエーションを増やすことが可能になり、研究の幅を広げつつ、研究の質的向上を果たすことができた。Synchrotron SAXSと高分解能TEMによる高次構造解析においては、他の研究目的にも適用が可能な技術であることが分かり、学術的な波及効果も十分に期待できる。また、高次構造と異方的な物質移動性の関係が明らかになってきており、高分子電解質内の物質移動の機構解明に結びつくとともに、究極的な電解質材料の分子設計指針の創出にも寄与している。
国内外の学会発表における研究成果の発信も十分にできており、かつこの１年間の成果をまとめて、ブロックおよびグラフト型共重合体の精密合成と高次構造解析に関連した投稿論文を作成中である。以上のことを鑑み、本研究は当初の計画以上に進展していると自己判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、物質輸送性の支配因子の解明を行う。高分子電解質形燃料電池内では、プロトン、水、燃料ガスである酸素と水素の部材選択的、また異方的な輸送が不可欠である。将来的な高分子電解質形燃料電池の高効率化にはそれらの輸送性の理解が必要である。しかしながら、高分子電解質膜のプロトン輸送を除いて、これらの解明は十分に行われていない。特に、触媒層に用いられている高分子電解質材料（アイオノマー）における物質輸送性の理解はほとんどされておらず、その解析は急務とされている。
具体的には、プロトンと水分子の輸送性をPulsed field gradient NMRを用いて、水の自己拡散係数として評価し、高分子電解質の分子構造、含水率、イオン交換容量とプロトン、水の輸送性の関係を明らかにする。これにより、物質輸送性を決定づける支配因子を明らかにする。その際、NMR測定の維持管理のために本年度申請した液体窒素蒸発防止装置を利用する。さらには、イメージングプローブを用いることで、３方向（膜面に対してｘ、ｙ、ｚ方向）の水の自己拡散係数を各々求め、ミクロ相分離構造と物質輸送性の関係、または物質輸送における異方性の関係を明らかにする。燃料となる水素と酸素輸送性に関しては、燃料電池作動環境下のガス透過実験によって求め、上記同様に高分子電解質の分子構造、含水率、イオン交換容量とガス輸送性の関係を明らかにする。また、ガス透過実験などの実実験では対応が困難である数ナノメートルオーダー厚のアイオノマーに関してはシミュレーションによって、ガス透過性を明らかにする。化学構造においては、最もガス輸送性に寄与していると考えられる疎水性ブロックの化学構造に焦点を絞り、化学構造または高分子の熱的性質がガス輸送性に及ぼす影響を明らかにする。
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Research Products
(9 results)
