東大,ポリマー結晶性複合体で水素イオンを高速伝導

東京大学は,水素イオンの高速伝導を担う金属酸化物,ポリマー結晶性複合体を開発した(ニュースリリース)。

近年,化石燃料に依存しない持続可能な社会の構築,深刻化する地球温暖化問題の解決手段として,水素をエネルギー源とする水素社会への移行が注目を浴びている。

中でも燃料電池は,水素と空気中の酸素との化学反応を利用して電気を取り出すシステムであり,水素利用における最重要技術の1つ。しかし,反応により生成した水素イオンの伝導を担う電解質材料には,性能および環境面で多くの課題がある。

今回,研究グループは,新たな電解質材料の構成ブロックとして,金属酸化物クラスター(ポリオキソメタレート)とポリマー(ポリアリルアミン)に着目した。

これらは,高い水素イオン伝導性を示す可能性があることが知られているものの,単独では水蒸気や熱への耐性が低いという欠点がある。研究グループはこの欠点の解決に加え,組成-構造-性能の相関が明確な材料を合成することを目的とし,水中でポリオキソメタレートのカリウム塩とポリアリルアミンの塩酸塩を混合し,結晶化を試みた。

得られた結晶の構造解析の結果,ポリオキソメタレートとカリウムイオンとの間に働く静電相互作用によりイオン結晶が構築され,結晶のナノ細孔には,水素イオンと結合したポリアリルアミンと水分子が含まれることが分かった。

今回の研究で,交流インピーダンス法と13C-CPMAS NMR分光法により得られた結晶が,実用化材料に匹敵する高い水素イオン伝導性(10-2Scm-1)を示し,その高い伝導性は,水素イオン,ポリアリルアミンと水分子が細孔中で密な水素結合ネットワークを形成し,さらに,ポリアリルアミンの側鎖が運動していることに由来することが明らかになった。

また,赤外分光スペクトル測定の結果,この水素結合ネットワークの状態がポリアリルアミンの分子量に依存することが分かった。さらに,結晶1つ分のラマン分光スペクトル測定と示差走査熱量測定の結果,結晶の細孔中にポリアリルアミンがバルクではなく単分子として存在することが分かった。

研究グループは,今回の研究により得られたイオン結晶は,フッ素や硫黄を含まない環境に優しい固体電解質材料として,燃料電池や水電解などの水素エネルギーシステムへの応用が期待できるとしている。

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