JP2007123152A - Thin film, and method of manufacturing same - Google Patents

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直行 内山
Hajime Kato
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hybrid film comprising a fine pore wall where proton donor groups are distributed, which has fine pores of nanometer size excellent in properties of: having no fault as the conventional technology does; high proton conductivity; acid catalyst capability; ion-exchange capability; chemical resistance; and thermal resistance. <P>SOLUTION: The hybrid film is characterized in that it has 3-dimensional fine pores with diameters in the range of 2nm to 500nm in which a metal oxide with fine pores of diameters smaller than those of the 3-dimensional fine pores, having at least one of proton conductivity and ion-exchange capability is contained. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は薄膜およびその製造方法に関する。さらに詳しくはエネルギーデバイスや電気化学センサーに利用されるプロトン伝導材料や、ファインケミカル製品及びポリマー製品製造に利用される酸触媒膜、イオン交換膜に用いることのできる薄膜およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a thin film and a manufacturing method thereof. More particularly, the present invention relates to a proton conductive material used for energy devices and electrochemical sensors, an acid catalyst membrane used for producing fine chemical products and polymer products, a thin film that can be used for an ion exchange membrane, and a method for producing the same.

近年、燃料として水素を用い、排出する物質は水のみという非常にクリーン次世代エネルギーとして、固体高分子型燃料電池(PEFC)の開発が盛んである。また、燃料として水素の代わりにメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池(DMFC)が提案され、リチウム2次電池に代わる携帯機器用高容量電池として期待され、活発に研究されている。   In recent years, solid polymer fuel cells (PEFC) have been actively developed as a very clean next-generation energy that uses hydrogen as a fuel and discharges only water. In addition, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol instead of hydrogen as a fuel has been proposed, and is expected and actively researched as a high-capacity battery for portable devices that replaces a lithium secondary battery.

これら固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜(プロトン伝導膜)の重要な機能は、正極触媒電極に供給される燃料(水素、メタノール水溶液等)と負極に供給される酸化剤ガス(酸素等)を物理的に絶縁すること、正極と負極を電気的に絶縁すること、及び正極上で生じるプロトンを負極に伝達することである。これらの機能を満たすためには、ある程度の機械的強度と高いプロトン伝導性が要求される。   The important functions of the electrolyte membrane (proton conducting membrane) used in these polymer electrolyte fuel cells are the fuel (hydrogen, methanol aqueous solution, etc.) supplied to the cathode catalyst electrode and the oxidant gas (oxygen etc.) supplied to the anode. ) Physically, electrically insulating the positive electrode and the negative electrode, and transmitting protons generated on the positive electrode to the negative electrode. In order to satisfy these functions, a certain degree of mechanical strength and high proton conductivity are required.

固体高分子型燃料電池用電解質膜には、一般的にナフィオン(登録商標)に代表されるスルホン酸基含有パーフルオロカーボン重合体が用いられている。これらの電解質膜はプロトン伝導度に優れ、機械的強度も比較的高いものであるが、以下の点においてさらなる改良が望まれる。すなわち、これらの電解質膜では膜に含まれる水とスルホン酸基により生成したクラスターチャンネルの中で水を介してプロトンが伝導するため、プロトン伝導度が電池使用環境の湿度による膜含水率に大きく依存する。固体高分子燃料電池は、COによる触媒電極の被毒低減と触媒電極の高活性化の観点から、100〜150℃の温度領域で作動させるのが好ましいとされる。しかし、このような中温度領域では電解質膜の含水率の低下とともにプロトン伝導度が低下するため、期待した電池特性が得られない。また、電解質膜の軟化点が120℃付近にあり、この温度域で作動させた場合には電解質膜の機械的強度が得られない。   As the electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, a sulfonic acid group-containing perfluorocarbon polymer typically represented by Nafion (registered trademark) is used. These electrolyte membranes have excellent proton conductivity and relatively high mechanical strength, but further improvements are desired in the following respects. That is, in these electrolyte membranes, protons conduct through water in the cluster channels formed by the water and sulfonic acid groups contained in the membranes, so proton conductivity depends greatly on the moisture content of the membrane due to the humidity of the battery usage environment. To do. The polymer electrolyte fuel cell is preferably operated in a temperature range of 100 to 150 ° C. from the viewpoint of reducing poisoning of the catalyst electrode by CO and increasing the activation of the catalyst electrode. However, in such an intermediate temperature range, the proton conductivity decreases with a decrease in the water content of the electrolyte membrane, so that expected battery characteristics cannot be obtained. Also, the softening point of the electrolyte membrane is around 120 ° C., and the mechanical strength of the electrolyte membrane cannot be obtained when operated in this temperature range.

一方、これらの電解質膜をDMFCに用いた場合には以下のような現象がおこる。すなわち、本質的に含水し易いこれらの膜は、燃料のメタノールに対するバリヤ性が低いため、正極に供給したメタノールが電解質膜を透過し負極に到達してしまう。これにより電池出力が低下する、メタノールクロスオーバー現象の原因となる。これは、DMFC実用化のための解決すべき重要な課題の一つである。   On the other hand, when these electrolyte membranes are used for DMFC, the following phenomenon occurs. That is, these membranes that are inherently water-containing have a low barrier property against methanol of fuel, so that methanol supplied to the positive electrode permeates the electrolyte membrane and reaches the negative electrode. This causes a methanol crossover phenomenon that lowers the battery output. This is one of the important issues to be solved for the practical application of DMFC.

このような状況下、ナフィオンに代わるプロトン伝導膜を開発する機運が高まり、幾つかの有望な電解質材料が提案されている。例えば、無機プロトン伝導材料としてプロトン伝導性ガラスが知られている。これらは、テトラアルコキシシランを酸の存在下、ゾル−ゲル法により重合して得られるものであり、高温域での湿度依存性が小さいことが知られている。しかし、プロトン伝導性が不充分あり、燃料電池用電解質としては適当でない。   Under such circumstances, the momentum for developing proton conductive membranes to replace Nafion has increased, and several promising electrolyte materials have been proposed. For example, proton conductive glass is known as an inorganic proton conductive material. These are obtained by polymerizing tetraalkoxysilane in the presence of an acid by a sol-gel method, and are known to have low humidity dependency at high temperatures. However, proton conductivity is insufficient and it is not suitable as an electrolyte for fuel cells.

無機材料の特性を活かしながら製膜を容易にするため、一つには高分子材料と複合したナノコンポジッド材料が提案されている。例えば、スルホン酸基を側鎖に持つ高分子化合物、ケイ素酸化物及びプロトン酸との複合化によりプロトン伝導膜を作製する方法等が開示されている(例えば、特許文献1〜3参照)。他には有機ケイ素化合物を前駆体とし、プロトン酸存在下のゾル−ゲル反応により生成する有機−無機ナノハイブリッド型のプロトン伝導材料が提案されている(例えば、特許文献4参照)。   In order to facilitate film formation while taking advantage of the properties of inorganic materials, nanocomposite materials combined with polymer materials have been proposed. For example, a method for producing a proton conductive membrane by complexing with a polymer compound having a sulfonic acid group in the side chain, silicon oxide, and protonic acid is disclosed (for example, see Patent Documents 1 to 3). In addition, an organic-inorganic nano-hybrid type proton conductive material which has an organosilicon compound as a precursor and is generated by a sol-gel reaction in the presence of a protonic acid has been proposed (for example, see Patent Document 4).

これらの有機−無機コンポジッド及びハイブリッド型プロトン伝導材料は、ケイ酸とプロトン酸からなりプロトン伝導部位である無機成分と材料に柔軟性を付与する有機成分とにより構成されるが、いずれも十分な電導度がないものである。   These organic-inorganic composites and hybrid proton conductive materials are composed of an inorganic component that is a proton conducting portion and composed of silicic acid and a protonic acid, and an organic component that imparts flexibility to the material. It is something that has no degree.

また、陽極酸化で得られたアルミナの細孔内にメソポーラスシリカを合成した薄膜が報告されている(非特許文献1参照)。しかし該報告にはプロトン伝導膜、イオン交換膜に関する記述はなく、プロトン伝導膜、イオン交換膜への応用は考えられていない。
さらに、非特許文献1で報告された膜は触媒としての利用を示唆してはいるが、具体性が無くどの様な触媒で、どの様に用いるかさえ不明瞭である。
In addition, a thin film in which mesoporous silica is synthesized in the pores of alumina obtained by anodization has been reported (see Non-Patent Document 1). However, the report does not describe proton conductive membranes and ion exchange membranes, and application to proton conductive membranes and ion exchange membranes is not considered.
Further, although the membrane reported in Non-Patent Document 1 suggests the use as a catalyst, it is unclear and it is unclear what kind of catalyst and how to use it.

メソポーラスシリカを用いたプロトン伝導膜も報告されているが(非特許文献2)、メソポーラスシリカのみで膜を構成していることから、膜厚を厚くすることは困難であり、そのままでは膜自体の強度が十分ではない。   Although a proton conducting membrane using mesoporous silica has also been reported (Non-patent Document 2), since the membrane is composed only of mesoporous silica, it is difficult to increase the film thickness. The strength is not enough.

メソポーラスP−SiOガラスを用いたプロトン伝導膜も報告されているが(非特許文献3)、メソポーラスP−SiOガラスは脆く、そのままでは電池のセルを組み上げる際に割れやすいなどの問題がある。 Although a proton conductive membrane using mesoporous P 2 O 5 —SiO 2 glass has also been reported (Non-patent Document 3), mesoporous P 2 O 5 —SiO 2 glass is brittle and breaks when assembling battery cells. There are problems such as easy.

多孔質膜をマトリックスとして用い、その細孔内にプロトン伝導性の物質を充填する報告もあるが(例えば、特許文献5,特許文献6など)、細孔内に充填する物質は細孔を有する訳ではなく、そのため低加湿条件下などでは、プロトン伝導膜に十分な水分が保持されにくく、十分にプロトン伝導性能を発揮することが困難である。
特開平10−69817号公報 特開平11−203936号公報 特開2001−307752号公報 特許第3103888号公報 国際特許公開2003/075386号パンフレット 特開2003−335895号公報 特開2004−2865号公報 特開2004−18751号公報 特開2003−359860号公報 ネィチャー マテリアルズ(Nature Materials),vol3,p337〜341 化学と工業 第57巻 第4号 p410〜413(2004) アドバンスド マテリアルズ(Advanced Materials.),12,18,p1370〜1372(2000)
Although there are reports of using a porous membrane as a matrix and filling the pores with a proton-conducting substance (for example, Patent Document 5 and Patent Document 6), the substance filling the pores has pores. However, for this reason, under low humidification conditions, etc., it is difficult to retain sufficient moisture in the proton conducting membrane, and it is difficult to sufficiently exhibit proton conducting performance.
JP-A-10-69817 Japanese Patent Laid-Open No. 11-203936 JP 2001-307752 A Japanese Patent No. 3103888 International Patent Publication No. 2003/075386 Pamphlet JP 2003-335895 A Japanese Patent Laid-Open No. 2004-2865 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-18751 JP 2003-359860 A Nature Materials, vol3, p337-341 Chemistry and Industry Vol.57 No.4 p410-413 (2004) Advanced Materials., 12, 18, p1370-1372 (2000)

本発明は上記課題を解決することを目的としたものである。すなわち、本発明の目的はハンドリング性や耐久性が高いエネルギーデバイスや電気化学センサーに利用されるプロトン伝導材料や、ファインケミカル製品及びポリマー製品製造に利用される触媒膜やイオン交換膜に用い得る薄膜およびその製造方法を提供することである。   The present invention aims to solve the above problems. That is, the object of the present invention is a proton conductive material used in energy devices and electrochemical sensors having high handling properties and durability, a thin film usable in catalyst membranes and ion exchange membranes used in the production of fine chemical products and polymer products, and The manufacturing method is provided.

上記目的を達成するために本発明によれば、直径2nm〜500nmの3次元細孔を有する薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物を含有することを特徴とする薄膜が提供される。本発明の薄膜は好ましい形態によれば、セラミックス、有機ポリマーのいずれかから構成されるものである。有機ポリマーは耐薬品性、耐熱性の高いポリテトラフルオロエチレンやポリイミドが好ましい。セラミックスとしては金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物などが挙げられる。   In order to achieve the above object, according to the present invention, the pores of the thin film having the three-dimensional pores having a diameter of 2 nm to 500 nm have pores having a diameter smaller than the pore diameter of the thin film, proton conductivity, ion exchange There is provided a thin film containing a metal oxide having at least one of any of the above properties. According to a preferred embodiment, the thin film of the present invention is composed of either ceramic or organic polymer. The organic polymer is preferably polytetrafluoroethylene or polyimide having high chemical resistance and heat resistance. Ceramics include metal oxides, metal carbides, metal nitrides and the like.

本発明の薄膜としては膜厚が1mm以下であるものが好ましいが(60μm以下がより好ましい)、陽極酸化で得られる薄膜は酸化皮膜部を膜厚とし、その他種々の方法で得られる薄膜に関しては適宜支持体や基板上に作成するが支持体や基板は膜厚には含まないものとする。なお、膜強度の点から膜厚の下限は5μm以上であることが好ましい。   The thin film of the present invention preferably has a thickness of 1 mm or less (more preferably 60 μm or less), but the thin film obtained by anodic oxidation has a thickness of the oxide film portion, and other thin films obtained by various methods. It is appropriately formed on a support or a substrate, but the support and the substrate are not included in the film thickness. From the viewpoint of film strength, the lower limit of the film thickness is preferably 5 μm or more.

本発明において3次元細孔とは、個々の形状としては、1次元の膜面に対してほぼ垂直(90°±20°の範囲)の直線状細孔は含まない。ただし、後述するように他の細孔と交わるなどして全体として3次元の細孔になる場合にはほぼ垂直の直線状細孔であってもよい。細孔は、膜面に対してほぼ垂直(90°±20°の範囲)以外の直線状、曲線状、屈曲状である(なおここで直線状、曲線状、屈曲状とは細孔をその長手方向断面をイメージしたときの形状とする)。細孔の集合体としては、細孔同士は交わっていてもよく、規則的および/又は不規則的な細孔であり、網目状細孔や、脱気、脱溶媒、脱官能基などによって生じた空間が連続的に連なったものも3次元細孔の範囲に入るものとする。3次元細孔は薄膜の表裏両面間を物質が通過又は移動できる点で、貫通しているものが好ましい。このような3次元細孔は、走査型電子顕微鏡で観察することにより確認することができる。   In the present invention, the three-dimensional pores do not include linear pores that are almost perpendicular to the one-dimensional membrane surface (in the range of 90 ° ± 20 °) as individual shapes. However, as will be described later, when a three-dimensional pore is formed as a whole by crossing with other pores, it may be a substantially vertical linear pore. The pores are linear, curved, or bent except for being substantially perpendicular to the membrane surface (in the range of 90 ° ± 20 °) (here, linear, curved, bent) It is the shape when a longitudinal section is imaged). As an aggregate of pores, the pores may intersect each other and are regular and / or irregular pores, which are generated by mesh-like pores, deaeration, desolvation, defunctional groups, etc. Those in which continuous spaces are continuously connected shall also fall within the range of the three-dimensional pores. The three-dimensional pores are preferably penetrating in that a substance can pass or move between both surfaces of the thin film. Such three-dimensional pores can be confirmed by observing with a scanning electron microscope.

本発明においてプロトン伝導性とは、プロトンが水酸基などのプロトン供与基(−OH、−SO−OH、−C(O)−OH、−P(O)(OH)、−NR−H(Rはアルキル基などの炭化水素基であり、環状のイミダゾール基なども含む)など)と水分子間をホッピングすることにより、電導度を示す性質である。 In the present invention, proton conductivity means that a proton is a proton donating group such as a hydroxyl group (—OH, —SO 2 —OH, —C (O) —OH, —P (O) (OH) 2 , —NR 3 —H). + (R is a hydrocarbon group such as an alkyl group, including a cyclic imidazole group, etc.) and a water molecule, and has a property of showing conductivity.

本発明においてイオン交換性とは、イオンの濃度勾配が生じた際に、イオン平衡により支配されイオン交換するものである。   In the present invention, the ion exchange property refers to ion exchange governed by ion equilibrium when an ion concentration gradient occurs.

本発明においてメタノール不透過性有機ポリマーとしては、エポキシ樹脂、テフロン(登録商標)樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル等を挙げることができる。   In the present invention, examples of the methanol-impermeable organic polymer include epoxy resin, Teflon (registered trademark) resin, polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate, and polyester.

本発明においてポリイミドとは、イミド基を主鎖中に有する高分子ポリマーをいい、ポリアミドイミド、テトラカルボン酸およびジアミンから得られる狭義のポリイミドなどを含む。   In the present invention, the polyimide means a polymer having an imide group in the main chain, and includes a narrowly defined polyimide obtained from polyamideimide, tetracarboxylic acid and diamine.

本発明によれば、以下に説明する通り、直径2nm〜500nmの3次元細孔を有する薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物を含有することを特徴とする薄膜を得ることができる。このような膜は、プロトンの伝導性、イオン交換性にすぐれ、さらに耐久性、安定性も良好であり、燃料電池や電気化学センサー用途、キャパシター、触媒膜、イオン交換膜などに有用である。   According to the present invention, as will be described below, the pores of the thin film having three-dimensional pores with a diameter of 2 nm to 500 nm have pores with a diameter smaller than the pore diameter of the thin film, and have proton conductivity and ion exchange properties. A thin film characterized in that it contains a metal oxide having at least one of the above properties can be obtained. Such a membrane has excellent proton conductivity and ion exchange properties, and also has good durability and stability, and is useful for fuel cells, electrochemical sensor applications, capacitors, catalyst membranes, ion exchange membranes, and the like.

本発明について更に詳細に説明する。本発明の直径2nm〜500nmの3次元細孔を有する薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物を含有することを特徴とする薄膜は二段階のプロセスで作成される。第一段階では直径2nm〜500nmの3次元細孔を有する薄膜を作成し、第二段階で薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物の構造体を作成する。   The present invention will be described in more detail. The thin film having a three-dimensional pore having a diameter of 2 nm to 500 nm according to the present invention has a pore having a diameter smaller than the pore diameter of the thin film, and has at least one property of proton conductivity and ion exchange. A thin film characterized by containing the above-described metal oxide is produced by a two-stage process. In the first stage, a thin film having three-dimensional pores with a diameter of 2 nm to 500 nm is prepared. In the second stage, the thin film has pores with a diameter smaller than that of the thin film, proton conductivity, ion exchange. A metal oxide structure having at least one of the above properties is prepared.

まず、第一段階での直径2nm〜500nmの3次元細孔を有する薄膜の作成方法について説明する。第一段階での薄膜作成方法は、フォトリソグラフィーをはじめ、電子線露光、X線露光などの微細パターン形成技術をはじめとする半導体加工技術やスパッタリング法、陽極酸化、ゾル−ゲル法、熱安定性の異なる2種類以上の有機ポリマーを混合分散させ、より熱不安定な有機ポリマーのみ分解させる方法、ブロック共重合有機ポリマーの部分的熱分解法などがあるが、これらに限定されることはない。また、ポリイミド前駆体を製膜し、加熱により環化させポリイミドとし、その際同時に縮合時に生じた水や共存させた有機物を熱処理法を用いて飛ばすことにより、多孔質ポリイミド膜を作成することが出来る(特許文献7、特許文献8、特許文献9などに記載の方法)が、化学処理法を用いて、除去したい成分を溶かし出すなどする方法を採用してもよい。   First, a method for producing a thin film having three-dimensional pores having a diameter of 2 nm to 500 nm in the first stage will be described. The thin film preparation method in the first stage includes photolithography, semiconductor patterning technology such as electron beam exposure, X-ray exposure, and other semiconductor processing technologies, sputtering method, anodization, sol-gel method, thermal stability. There are a method of mixing and dispersing two or more types of organic polymers different from each other and decomposing only a more thermally unstable organic polymer, a partial thermal decomposition method of a block copolymerized organic polymer, and the like, but not limited thereto. In addition, a polyimide precursor can be formed into a film by cyclization by heating to form a polyimide, and at the same time, a porous polyimide film can be formed by using a heat treatment method to remove water generated during condensation or coexisting organic substances. Although possible (methods described in Patent Document 7, Patent Document 8, Patent Document 9 and the like), a method of dissolving a component to be removed by using a chemical treatment method may be employed.

上記のように無機薄膜でも有機薄膜でもよい。無機薄膜の場合は、細孔を作成のため、フォトリソグラフィーをはじめ、電子線露光、X線露光などの微細パターン形成技術をはじめとする半導体加工技術やスパッタリング法、陽極酸化など好ましく、コストや歩留まりの点から陽極酸化がより好ましい。   As described above, an inorganic thin film or an organic thin film may be used. In the case of an inorganic thin film, it is preferable to use semiconductor processing technology such as photolithography, fine pattern formation technology such as electron beam exposure and X-ray exposure, sputtering method, anodic oxidation, etc. in order to create pores. Cost and yield From this point, anodic oxidation is more preferable.

有機薄膜の場合は、耐熱性、耐薬品性、官能基修飾のしやすさなどから、多孔質ポリイミドが好ましい。   In the case of an organic thin film, porous polyimide is preferable from the viewpoint of heat resistance, chemical resistance, ease of functional group modification, and the like.

直径2nm〜500nmの3次元細孔を有する薄膜は有機ポリマーまたはセラミックス材料(金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物)で構成されることが好ましい。耐熱性が重要視される燃料電池システムを組む場合はセラミックス材料を含むものが好ましく、コストや作成上容易である点から金属酸化物を含むものがより好ましい。また、機械的強度が重要視される燃料電池システムを組む場合は、膜全体が無機物質では脆さが問題となる場合があるので、その際は有機ポリマーを直径2nm〜500nmの3次元細孔を有する薄膜として用いるのが好ましい。   The thin film having three-dimensional pores with a diameter of 2 nm to 500 nm is preferably composed of an organic polymer or a ceramic material (metal oxide, metal carbide, metal nitride). In the case of assembling a fuel cell system in which heat resistance is regarded as important, those containing a ceramic material are preferred, and those containing a metal oxide are more preferred from the viewpoint of cost and ease of production. In addition, when a fuel cell system in which mechanical strength is regarded as important is built, the entire membrane may be brittle if it is an inorganic substance. In this case, an organic polymer is removed from a three-dimensional pore having a diameter of 2 nm to 500 nm. It is preferable to use it as a thin film having

また、有機ポリマーはフレキシブルであるため、様々な形で用いることが可能であり、触媒やイオン交換膜などに用いる際もハンドリング性が良いことから、汎用性があるものである。   In addition, since the organic polymer is flexible, it can be used in various forms, and when used for a catalyst, an ion exchange membrane, or the like, since it has good handling properties, it is versatile.

有機ポリマーの中でも耐熱性、耐薬品性、官能基修飾のしやすさなどから、多孔質ポリイミドが好ましく、ポリイミド(狭義)はテトラカルボン酸成分とジアミン成分の好ましくは芳香族化合物に属するモノマーを重合して得られる。   Among organic polymers, porous polyimide is preferred because of its heat resistance, chemical resistance, and ease of functional group modification. Polyimide (narrowly defined) polymerizes monomers belonging to tetracarboxylic acid components and diamine components, preferably aromatic compounds. Is obtained.

ジアミンとしては、芳香族ジアミンであれば特に制限はないが、好適には4,4’−ジアミノジフェニルエ−テル、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノジフェニルエ−テル、3,3’−ジエトキシ−4,4’−ジアミノジフェニルエ−テル、パラ−フェニレンジアミン(以下、p−PDAと略記することもある)、メタ−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルエ−テル(以下、DADEと略記することもある)などの芳香族ジアミンが挙げられる。また、前記のジアミン成分としては、ジアミノピリジンであってもよく、具体的には、2,6−ジアミノピリジン、3,6−ジアミノピリジン、2,5−ジアミノピリジン、3,4−ジアミノピリジンなどが挙げられる。ジアミン成分は上記の各ジアミンを2種以上組み合わせて使用してもよい。   The diamine is not particularly limited as long as it is an aromatic diamine, but preferably 4,4′-diaminodiphenyl ether, 4,4′-diaminodiphenylmethane, 3,3′-dimethyl-4,4′-. Diaminodiphenyl ether, 3,3′-diethoxy-4,4′-diaminodiphenyl ether, para-phenylenediamine (hereinafter sometimes abbreviated as p-PDA), meta-phenylenediamine, 4,4 Examples thereof include aromatic diamines such as' -diaminodiphenyl ether (hereinafter sometimes abbreviated as DADE). In addition, the diamine component may be diaminopyridine, specifically, 2,6-diaminopyridine, 3,6-diaminopyridine, 2,5-diaminopyridine, 3,4-diaminopyridine, and the like. Is mentioned. The diamine component may be used in combination of two or more of the above diamines.

前記のテトラカルボン酸成分としては、好適にはビフェニルテトラカルボン酸成分が挙げられ、例えば3,3’,4,4’− ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(以下、s−BPDAと略記することもある)、2,3,3’,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(以下、a−BPDAと略記することもある)が好ましいが、2,3,3’,4’−又は3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸、あるいは2,3,3’,4’− 又は3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸の塩またはそれらのエステル化誘導体であってもよい。ビフェニルテトラカルボン酸成分は、上記の各ビフェニルテトラカルボン酸類の混合物であってもよい。   The tetracarboxylic acid component is preferably a biphenyltetracarboxylic acid component, for example, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride (hereinafter abbreviated as s-BPDA). 2,3,3 ′, 4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride (hereinafter sometimes abbreviated as a-BPDA), but 2,3,3 ′, 4′- or 3, 3 ', 4,4'-biphenyltetracarboxylic acid, or a salt of 2,3,3', 4'- or 3,3 ', 4,4'-biphenyltetracarboxylic acid or an esterified derivative thereof Also good. The biphenyl tetracarboxylic acid component may be a mixture of the above biphenyl tetracarboxylic acids.

また、上記のテトラカルボン酸成分は、ビフェニルテトラカルボン酸成分の一部あるいは全部をピロメリット酸、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)スルホン,ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エ−テル、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)チオエ−テルあるいはそれらの酸二無水物、塩またはエステル化誘導体などの芳香族テトラカルボン酸類で置き換えてもよい。またこれら芳香族テトラカルボン酸成分の一部あるいは全部を脂環族テトラカルボン酸、あるいはそれらの酸無水物、塩またはエステル化誘導体で置き換えてもよい。   In addition, the tetracarboxylic acid component described above is obtained by using pyromellitic acid, 3,3 ′, 4,4′-benzophenone tetracarboxylic acid, 2,2-bis (3,4- Dicarboxyphenyl) propane, bis (3,4-dicarboxyphenyl) sulfone, bis (3,4-dicarboxyphenyl) ether, bis (3,4-dicarboxyphenyl) thioether or acids thereof Aromatic tetracarboxylic acids such as anhydrides, salts or esterified derivatives may be substituted. Further, a part or all of these aromatic tetracarboxylic acid components may be replaced with alicyclic tetracarboxylic acids, or acid anhydrides, salts or esterified derivatives thereof.

このような多孔質ポリイミドからなる薄膜は、市販品の中から用いることもできる。   Such a thin film made of porous polyimide can also be used from commercially available products.

本発明においては、薄膜を構成する有機ポリマーに後処理を施すことにより、種々の性質を付与することも可能である。   In the present invention, various properties can be imparted by post-processing the organic polymer constituting the thin film.

例えば、特許文献8記載の多孔質ポリイミドに後処理として、特に限定されないが、クロロスルホン酸などにより、スルホン化などの処理を行うか、特許文献7記載のように、官能基が導入されたモノマーからの重合により、多孔質ポリイミドを合成することにより、多孔質ポリイミド表面を親水化することが可能となる。これにより、第2段階で作成の、薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物を作成する際、薄膜細孔と金属酸化物の界面に隙間が生じることを防ぐ効果があり、同時に金属酸化物が担うプロトン伝導性、イオン交換性などの機能を、多孔質ポリイミドも担うことが可能となるため、薄膜全体としての機能を向上させることが可能となる。例えばスルホン化芳香族ポリイミドのスルホン酸含有量は、1g当たり0.5ミリ当量以上が好ましく、1ミリ当量以上が更に好ましい。   For example, the post-treatment of the porous polyimide described in Patent Document 8 is not particularly limited. However, a treatment such as sulfonation with chlorosulfonic acid or the like is performed, or a monomer into which a functional group is introduced as described in Patent Document 7 By synthesizing porous polyimide by polymerization from the above, the surface of the porous polyimide can be hydrophilized. Thereby, when producing a metal oxide having a diameter smaller than the pore diameter of the thin film produced in the second stage and having at least one of proton conductivity and ion exchange properties, It has the effect of preventing gaps at the interface between the thin film pores and the metal oxide, and at the same time, functions such as proton conductivity, ion exchange, and the like, which the metal oxide bears, can also bear the porous polyimide, It becomes possible to improve the function of the entire thin film. For example, the sulfonic acid content of the sulfonated aromatic polyimide is preferably 0.5 milliequivalents or more per gram, more preferably 1 milliequivalents or more.

また、本発明の薄膜に関し、直径2〜500nmの細孔は、細孔分布測定装置にて(水銀圧入法に基づくポロシメーター装置、窒素吸着法に基づくBET吸着測定装置、バブルポイント法及びハーフドライ法に基づくパームポロメ−ター装置など)により算出される平均細孔径が2〜500nmの範囲に入っているものとする。2nm以上50nm未満の領域ではBET吸着測定装置(液体窒素温度条件下での窒素吸着)、50nm以上500nm以下の領域ではポロシメーター装置またはパームポロメ−ター装置で測定するが、パームポロメ−ター装置は細孔が貫通孔である場合に用いるものとする。パームポロメーター装置での測定は25℃±5℃の条件にて測定を行う。細孔径測定時は鋳型分子などの細孔内物質を焼成や抽出により取り除いてから測定を行う。   In addition, regarding the thin film of the present invention, pores having a diameter of 2 to 500 nm are measured with a pore distribution measuring device (a porosimeter device based on a mercury intrusion method, a BET adsorption measuring device based on a nitrogen adsorption method, a bubble point method, and a half dry method. The average pore diameter calculated by a palm porometer device based on the above is in the range of 2 to 500 nm. The BET adsorption measuring device (nitrogen adsorption under liquid nitrogen temperature conditions) is measured in the region of 2 nm or more and less than 50 nm, and the porosimeter device or palm porometer device is used in the region of 50 nm or more and 500 nm or less. It shall be used when it is a through hole. The measurement with a palm porometer device is performed under conditions of 25 ° C. ± 5 ° C. At the time of measuring the pore diameter, measurement is performed after removing substances in the pores such as template molecules by baking or extraction.

第1段階での作成薄膜の細孔径直径が2〜500nmであるのは、第2段階において、薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物を作成する際に、金属酸化物の細孔が第1段階作成の膜の細孔に沿うように形成されやすいことから、プロトン伝導性や触媒として用いる際の物質の拡散性が向上する点において好ましいからである。第1段階での作成薄膜の細孔径は更に好ましくは2〜200nm、最も好ましいのは、2〜100nmである。   The reason why the pore diameter of the thin film prepared in the first stage is 2 to 500 nm is that in the second stage, the thin film has pores having a diameter smaller than the pore diameter of the thin film and is either proton-conductive or ion-exchangeable. When producing a metal oxide having at least one property, the pores of the metal oxide are likely to be formed along the pores of the first-stage membrane. This is because it is preferable in terms of improving the diffusibility of the substance. The pore diameter of the prepared thin film in the first stage is more preferably 2 to 200 nm, and most preferably 2 to 100 nm.

次に第二段階の、薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物を作成することについて説明する。第二段階のプロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物作成方法は、第一段階で作成した薄膜の細孔内にゾル−ゲル法にて作成することが好ましい。   Next, the production of a metal oxide having pores having a diameter smaller than that of the thin film and having at least one of proton conductivity and ion exchange properties will be described. The metal oxide preparation method having at least one of the properties of proton conductivity and ion exchange in the second stage should be prepared by the sol-gel method in the pores of the thin film prepared in the first stage. Is preferred.

この際のゾル−ゲル法は一般的な方法でよく、特に限定されないが、例えば金属アルコキシド、金属ハロゲン化物、金属酸化物、有機金属エステルなどが原料として用いられる。また、ゾル−ゲル反応の際、薄膜の細孔径より小さい直径の細孔の金属酸化物に生じさせる上で、鋳型として極性官能基を有するポリマー、界面活性剤、イオン性液体、有機アミン、4級アンモニウム塩などを添加することが好ましい。   In this case, the sol-gel method may be a general method and is not particularly limited. For example, a metal alkoxide, a metal halide, a metal oxide, an organic metal ester, or the like is used as a raw material. Also, in the sol-gel reaction, a polymer having a polar functional group as a template, a surfactant, an ionic liquid, an organic amine, It is preferable to add a quaternary ammonium salt or the like.

上記ゾル−ゲル法は特に限定されないが、例えば、メソポーラスシリカ合成時などに行われる既存の各種手法を用いることができる。   Although the said sol-gel method is not specifically limited, For example, the existing various methods performed at the time of a mesoporous silica synthesis | combination etc. can be used.

ゾルーゲル反応時、特に限定はされないがNaClなどの塩を加えることにより、金属酸化物の細孔の規則性を向上させることも可能である。   Although not particularly limited during the sol-gel reaction, it is possible to improve the regularity of the pores of the metal oxide by adding a salt such as NaCl.

ゾルーゲル反応時、Zr,Tiなどを加えることにより、金属酸化物の耐水性を向上させることも可能であり、Zr酸化物及び/またはTi酸化物のみで構成される金属酸化物でもよい。当然Si酸化物を主成分として、一部がZr酸化物及び/またはTi酸化物で構成されていても良い。   During the sol-gel reaction, it is possible to improve the water resistance of the metal oxide by adding Zr, Ti or the like, and a metal oxide composed only of Zr oxide and / or Ti oxide may be used. Of course, Si oxide may be the main component and a part may be composed of Zr oxide and / or Ti oxide.

また、ゾルーゲル反応時、特に限定はされないがフッ素源としてNaFやNaBFを加えることで重縮合を速め、合成時間を短縮させ、さらに金属酸化物の細孔壁を厚くできることから、該膜の耐久性を向上させることも可能である。 In addition, although not particularly limited during the sol-gel reaction, the addition of NaF or NaBF 4 as a fluorine source can accelerate polycondensation, shorten the synthesis time, and increase the thickness of the pore wall of the metal oxide. It is also possible to improve the performance.

薄膜の細孔径より小さい直径の細孔は細孔内への水の保持力、プロトン伝導性の点から1nm以上が好ましく、更に好ましくは1.5nm以上である。これらの細孔径は薄膜の細孔径測定方法と同様であるが、2nm以下の領域を測定する際は、BET装置により窒素吸着測定を行う。   The pores having a diameter smaller than the pore size of the thin film are preferably 1 nm or more, more preferably 1.5 nm or more, from the viewpoint of water retention in the pores and proton conductivity. These pore sizes are the same as the method for measuring the pore size of a thin film, but when measuring a region of 2 nm or less, nitrogen adsorption measurement is performed with a BET apparatus.

ゾルーゲル反応後、100℃程度(好ましくは100±50℃)での乾燥工程やそれ以上の温度(特に限定されないが200℃〜500℃程度が好ましい)で焼成工程を入れることで、金属酸化物の重縮合を促進させ、より耐久性のある薄膜を得ることも可能である。   After the sol-gel reaction, a drying step at about 100 ° C. (preferably 100 ± 50 ° C.) and a firing step at a temperature higher than that (preferably about 200 ° C. to 500 ° C. are preferable). It is possible to promote polycondensation and obtain a more durable thin film.

ゾル−ゲル反応後、得られた直径2nm〜500nmの3次元細孔を有する薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物を含有することを特徴とする薄膜を電子顕微鏡にて観察すると、薄膜の細孔内以外の場所にもゾル−ゲル反応にて金属酸化物が副生する場合がある。そのような細孔内以外の場所に金属酸化物が副生すると不都合が生じる際は、特に限定はされないがCMP工程など、従来既知の研磨法にて薄膜表面を研磨することで副成金属酸化物を取り除くことができる。   After the sol-gel reaction, the obtained thin film having three-dimensional pores having a diameter of 2 nm to 500 nm has pores having a diameter smaller than the pore diameter of the thin film, and is either proton-conductive or ion-exchangeable. When a thin film characterized by containing a metal oxide having at least one of the above properties is observed with an electron microscope, a metal oxide is formed as a by-product in a sol-gel reaction at a place other than within the pores of the thin film. There is a case. When inconvenience occurs when the metal oxide is by-produced in a place other than the inside of such pores, there is no particular limitation, but the by-product metal oxidation is performed by polishing the thin film surface by a conventionally known polishing method such as a CMP process. Things can be removed.

また、本発明の薄膜は、膜厚が1mm以下で、直径2nm〜500nmの3次元細孔を有する薄膜の細孔内にゾル−ゲル反応にて薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物を作成し、その後、特に限定はされないがCMP(ケミカル・メカニカル・ポリッシング(プラナリゼイション))工程など、一般的な研磨法にて薄膜表面を研磨することで、膜厚1mm以下の本発明のハイブリッド膜を作成することもできる。   In addition, the thin film of the present invention has pores having a diameter smaller than the pore diameter of the thin film by sol-gel reaction in the pores of the thin film having a thickness of 1 mm or less and having a three-dimensional pore with a diameter of 2 nm to 500 nm. Then, a metal oxide having at least one of proton conductivity and ion exchange properties is prepared, and thereafter, although not particularly limited, a CMP (chemical mechanical polishing (planarization)) process, etc., By polishing the surface of the thin film by a general polishing method, the hybrid film of the present invention having a film thickness of 1 mm or less can also be produced.

作成した金属酸化物の細孔は三次元六方対称P63/mmc構造または二次元六方対称P6mm構造がプロトン伝導度の向上や圧力損失を軽減させる点で好ましい。P63/mmcやP6mmの構造はX線回折や、電子線回折などにより確認することが出来る。   The three-dimensional hexagonal symmetric P63 / mmc structure or the two-dimensional hexagonal symmetric P6mm structure is preferable in terms of improving proton conductivity and reducing pressure loss. The structure of P63 / mmc or P6 mm can be confirmed by X-ray diffraction, electron beam diffraction, or the like.

金属酸化物の組成は特に限定されないが、金属種として周期表の2族〜16属までの元素を少なくとも1つ以上含むことが好ましく、Si,Al,P,S,N,Zr,Ti原子のいずれかを含むものがプロトン伝導性、イオン交換性や耐久性を向上させる点から好ましい。例えば金属酸化物にシリカを用いる場合、シリカだけではプロトン伝導性、イオン交換性が不十分な場合がある。その場合にこの方法は有効である。特にリン酸基や硫酸基など、水酸基を有するリンや硫黄を金属酸化物表面に含有させることがプロトン伝導性、イオン交換性向上の点から好ましい。これらの官能基は、プロトンの供与能力が高く、プロトンがプロトン供与基(−OH、−SO−OH、−C(O)−OH、−P(O)(OH)、−NR−H(Rはアルキル基などの炭化水素基であり、環状のイミダゾール基なども含む)など)と水分子間をホッピングすることにが容易になる。水酸基を有するリンや硫黄を金属酸化物表面に含有させることで、プロトン伝導性、イオン交換性は向上させることが出来る。これらの官能基は直接金属酸化物上に存在する必要はなく、炭化水素(アルキル基など)などで官能基と金属酸化物間が結合されているものでもよい。 The composition of the metal oxide is not particularly limited, but preferably contains at least one element from group 2 to group 16 of the periodic table as a metal species, and includes Si, Al, P, S, N, Zr, and Ti atoms. Those containing any of them are preferred from the viewpoint of improving proton conductivity, ion exchange properties and durability. For example, when silica is used as the metal oxide, proton conductivity and ion exchange may be insufficient with silica alone. In this case, this method is effective. In particular, phosphorus or sulfur having a hydroxyl group such as a phosphate group or a sulfate group is preferably contained on the surface of the metal oxide from the viewpoint of improving proton conductivity and ion exchange properties. These functional groups have high proton donating ability, and protons are proton donating groups (—OH, —SO 2 —OH, —C (O) —OH, —P (O) (OH) 2 , —NR 3 — It becomes easy to hop between H + (R is a hydrocarbon group such as an alkyl group, including a cyclic imidazole group) and the like and a water molecule. By containing phosphorus or sulfur having a hydroxyl group on the surface of the metal oxide, proton conductivity and ion exchange can be improved. These functional groups do not need to be present directly on the metal oxide, but may be those in which the functional group and the metal oxide are bonded by a hydrocarbon (alkyl group or the like).

金属酸化物表面に水酸基を有するリンや硫黄を含有させる方法は、特に限定されないが、例えば(1)の方法として、金属酸化物作成時にリン酸エステル類などを用い、ゾル−ゲル法にて金属酸化物の細孔壁の一部として導入する、またはチオール基を有する金属アルコキシド(例えばメルカプトプロピルトリメトキシシランなど)と過酸化水素水を用い、金属酸化物作成時に同時にチオール基をスルホン酸基へ酸化し、金属酸化物の細孔壁の一部として導入する方法が上げられる。また例えば(2)の方法として、金属酸化物作成後、後処理として、リン酸エステルや塩化スルフリルなどで金属酸化物表面の水酸基を処理し、加水分解してもよい。また、チオール基を含む金属アルコキシドなどで後処理として金属酸化物表面の水酸基を処理し、酸化しスルホン酸基などに変換することも出来る。   The method of containing phosphorus or sulfur having a hydroxyl group on the surface of the metal oxide is not particularly limited. For example, as a method of (1), a metal is formed by a sol-gel method using phosphate esters at the time of forming the metal oxide. A metal alkoxide (for example, mercaptopropyltrimethoxysilane) having a thiol group introduced as a part of the pore wall of the oxide and a hydrogen peroxide solution is used to simultaneously convert the thiol group to a sulfonic acid group when forming the metal oxide. The method of oxidizing and introducing as a part of the pore wall of a metal oxide is raised. Further, for example, as the method (2), after the metal oxide is prepared, as a post-treatment, the hydroxyl group on the surface of the metal oxide may be treated with a phosphate ester, sulfuryl chloride or the like to be hydrolyzed. Further, the hydroxyl group on the surface of the metal oxide can be treated as a post-treatment with a metal alkoxide containing a thiol group, etc., and oxidized to be converted into a sulfonic acid group or the like.

しかし、(2)の方法では、金属酸化物作成後、後処理としてリン酸基や硫酸基を修飾導入しようとすると、金属酸化物細孔の入り口付近に修飾されやすく、金属酸化物細孔内に均一にリン酸基や硫酸基を配することが容易ではないこと、また、製作工程が1ステップ更にかかることから、(1)の方法のように、金属酸化物合成時に同時に、1段階(ワンポット)で導入することが好ましい。   However, in the method of (2), if a phosphate group or a sulfate group is modified and introduced as a post-treatment after the preparation of the metal oxide, it is easily modified near the entrance of the metal oxide pores. Since it is not easy to uniformly dispose phosphoric acid groups and sulfuric acid groups on the substrate, and the manufacturing process takes one step further, as in the method (1), one step ( It is preferable to introduce in one pot.

また、金属酸化物の細孔径を調整するために、金属酸化物合成時に種々鋳型となる分子を選ぶことができるが、金属酸化物合成後、特に限定はされないが金属アルコキシドなどを用いて金属酸化物の細孔壁で重縮合させ、金属酸化物の細孔を狭くすることもできる。   In addition, in order to adjust the pore diameter of the metal oxide, various templates can be selected as a template during the synthesis of the metal oxide. After the synthesis of the metal oxide, although not particularly limited, the metal oxide can be oxidized using a metal alkoxide or the like. The pores of the metal oxide can also be narrowed by polycondensation at the pore walls of the product.

本発明の直径2nm〜500nmの3次元細孔を有する薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物の細孔に有機ポリマーを接触させることでプロトン伝導膜として更に機能化することが出来る。例えばスルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、イミダゾール基などを有する有機ポリマーを接触させることにより、燃料電池用途に応用する際、電極やガスの流路となるセパレーターとプロトン伝導膜との接着性を向上させ、電導度を向上させることが出来る。この際スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基などを有する有機ポリマーが接触する場所は、金属酸化物の細孔の内外いずれでもよい。細孔内外で接触させる場合は特に限定されないが、該有機ポリマーを膜面に塗布し、加圧するなどすればよく、その結果、細孔内部に該ポリマーが浸入・圧入されても問題ない。金属酸化物細孔内で接触させる場合は、既知のスルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基などを有する有機ポリマーのみのプロトン伝導膜や、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基などを有する有機ポリマーと無機物と複合化させるプロトン伝導膜と異なり、本発明の薄膜は、薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物を有することから、膜強度も高く、ナノオーダーの細孔により、保水力が高いものである。   The thin film having a three-dimensional pore having a diameter of 2 nm to 500 nm according to the present invention has a pore having a diameter smaller than the pore diameter of the thin film, and has at least one property of proton conductivity and ion exchange. It can be further functionalized as a proton conducting membrane by bringing an organic polymer into contact with the pores of the metal oxide. For example, by contacting an organic polymer having a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxylic acid group, an imidazole group, etc., when applied to a fuel cell, the separator between the electrode or gas flow path and the proton conducting membrane are bonded. The electrical conductivity can be improved. At this time, the place where the organic polymer having a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxylic acid group, or the like contacts may be inside or outside the pores of the metal oxide. When contacting inside and outside the pores, there is no particular limitation, but the organic polymer may be applied to the film surface and pressurized, and as a result, there is no problem even if the polymer enters and presses into the pores. When contacting within the pores of the metal oxide, a proton conductive membrane made only of an organic polymer having a known sulfonic acid group, phosphoric acid group, carboxylic acid group, etc., or a sulfonic acid group, phosphoric acid group, carboxylic acid group, etc. Unlike a proton conducting membrane that is combined with an organic polymer and an inorganic substance, the thin film of the present invention has pores with a diameter smaller than the pore diameter of the thin film within the pores of the thin film, and has either proton conductivity or ion exchange properties. Since it has a metal oxide having at least one of these properties, the film strength is high and the water retention is high due to nano-order pores.

上記スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、イミダゾール基などを有する有機ポリマーとしては、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレンなどの有機ポリマーにスルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、イミダゾール基などを導入したものが挙げられる。   Examples of the organic polymer having the sulfonic acid group, phosphoric acid group, carboxylic acid group, imidazole group, etc. include organic polymers such as polyether, polyether ketone, polytetrafluoroethylene, sulfonic acid group, phosphoric acid group, carboxylic acid group. And those having an imidazole group introduced therein.

また、金属酸化物の細孔にメタノール不透過性有機ポリマー(エポキシ樹脂、テフロン(登録商標)樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル等)を接触させることにより、DMFC用途へ応用する際、電池出力が低下するメタノールクロスオーバー現象を抑制することが出来る。上記メタノール不透過性有機ポリマーを細孔に接触させる方法は特に限定されないが、該ポリマーを膜面に塗布し、加圧するなどすればよく、その結果、細孔内部に該ポリマーが浸入・圧入されても問題ない。   In addition, by contacting methanol-impermeable organic polymer (epoxy resin, Teflon (registered trademark) resin, polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate, polyester, etc.) with the metal oxide pores, the battery can be used for DMFC applications. The methanol crossover phenomenon in which the output decreases can be suppressed. The method for bringing the methanol-impermeable organic polymer into contact with the pores is not particularly limited, but the polymer may be applied to the membrane surface and pressurized, and as a result, the polymer enters and is injected into the pores. There is no problem.

メタノール不透過性有機ポリマーは、前述のスルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、イミダゾール基などを有する有機ポリマーとは異なり、これらの官能基は有しないものが好ましい。   Unlike the organic polymer having a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxylic acid group, an imidazole group, or the like, the methanol-impermeable organic polymer preferably has no such functional group.

しかし、前述のスルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、イミダゾール基などを有する有機ポリマーの効果とメタノール不透過性有機ポリマーの効果を併用するために、2つのポリマーを混合し用いても良い。   However, in order to use the effects of the organic polymer having the sulfonic acid group, phosphoric acid group, carboxylic acid group, imidazole group, etc. and the effect of the methanol-impermeable organic polymer, two polymers may be mixed and used. .

上記メタノール不透過性有機ポリマーとしては、室温でメタノール・水・窒素(1.5:1.5:97(体積比))の混合気体をその樹脂からなる膜(50μm厚)に送り込んだとき、メタノールの供給量に対し、好ましくは10%以下、さらに好ましくは5%以下、特に好ましくは3%以下の透過量をもつ有機ポリマーが好ましく、このようなものとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、テフロン(登録商標)樹脂、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステルなどが挙げられる。   As the methanol-impermeable organic polymer, when a mixed gas of methanol, water, and nitrogen (1.5: 1.5: 97 (volume ratio)) is sent to a resin film (50 μm thickness) at room temperature, An organic polymer having a permeation amount of preferably 10% or less, more preferably 5% or less, and particularly preferably 3% or less with respect to the supply amount of methanol is preferred. Examples of such a polymer include polyethylene, polypropylene, epoxy resins, Examples thereof include Teflon (registered trademark) resin and polyester such as polyethylene terephthalate.

金属酸化物の細孔径は第一段階で作成した薄膜同様に、窒素吸着測定や透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡によって測定することが出来る。   The pore diameter of the metal oxide can be measured by nitrogen adsorption measurement, a transmission electron microscope, or a scanning electron microscope, similarly to the thin film prepared in the first stage.

本発明において、金属酸化物がプロトン伝導性を示すとは、相対湿度100%、25℃(室温)条件下、交流複素インピーダンス法により電導度を測定し、1mS・cm−1以上の値を示すものである。好ましくは20mS・cm−1以上の値を示すものである。 In the present invention, the fact that a metal oxide exhibits proton conductivity means that the conductivity is measured by the AC complex impedance method under conditions of 100% relative humidity and 25 ° C. (room temperature), and shows a value of 1 mS · cm −1 or more. Is. Preferably, the value is 20 mS · cm −1 or more.

本発明において交流複素インピーダンス法は周波数0.01Hz〜10kHz、交流振幅は50mVにて測定を行い、サンプルと電極の界面には、界面抵抗を下げるために、ポリ(2−アクリルアミドー2−メチルプロパンスルホン酸)の15wt%水溶液を塗布して測定を行うものとする。   In the present invention, the AC complex impedance method is measured at a frequency of 0.01 Hz to 10 kHz and the AC amplitude is 50 mV, and poly (2-acrylamido-2-methylpropane) is used at the interface between the sample and the electrode in order to reduce the interface resistance. Measurement is performed by applying a 15 wt% aqueous solution of sulfonic acid.

以上述べたように、本発明の薄膜は、フォトリソグラフィーをはじめ、電子線露光、X線露光などの微細パターン形成技術をはじめとする半導体加工技術やスパッタリング法、陽極酸化、ゾル−ゲル法、多孔性有機ポリマー膜作成法などで直径2nm〜500nmの細孔を有する薄膜を作成し、次いで第一段階で作成した薄膜の細孔内に、ゾル−ゲル法などにより、薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物を作成する方法を組み合わせて用いることを特徴としており、プロトン伝導性、イオン交換性の特性が高く、加えて保水力、膜強度も高く、圧力損失の少ない膜を提供しうるものである。プロトン供与基またはイオン交換基は水酸基を有するリンや硫黄などが好ましい。   As described above, the thin film of the present invention can be applied to semiconductor processing techniques such as photolithography, fine pattern formation techniques such as electron beam exposure and X-ray exposure, sputtering methods, anodization, sol-gel methods, porous A thin film having pores with a diameter of 2 nm to 500 nm is prepared by a method for preparing a conductive organic polymer film, and then the diameter smaller than the pore diameter of the thin film by a sol-gel method or the like in the pores of the thin film prepared in the first stage. In combination with a method for producing a metal oxide having at least one of proton conductivity and ion exchange properties, and having proton conductivity and ion exchange properties. It is possible to provide a membrane having high characteristics, water retention, membrane strength, and low pressure loss. The proton donating group or ion exchange group is preferably phosphorus or sulfur having a hydroxyl group.

また、本発明の薄膜は、プロトン伝導性、イオン交換性を有するため、ファインケミカル製品及びポリマー製品製造において触媒膜として利用することも可能である。その場合、ナノオーダーの細孔内が主反応場となることから、分子篩効果が見られ、副生物としてターゲット分子よりも分子径の大きな生成物が生じうる反応において有用な触媒膜となる。同様の効果を持つ膜にゼオライト膜が知られているが、ゼオライト膜はオングストロームオーダーの細孔であり、物質の拡散が悪く、圧力損失が大きくなる欠点があるが、本発明の薄膜はナノオーダーの細孔であることから圧力損失は小さく、触媒膜として有用である。   In addition, since the thin film of the present invention has proton conductivity and ion exchange properties, it can be used as a catalyst film in the production of fine chemical products and polymer products. In this case, since the inside of the nano-order pores becomes the main reaction field, the molecular sieve effect is observed, and the catalyst film is useful in a reaction in which a product having a molecular diameter larger than that of the target molecule can be generated as a by-product. A zeolite membrane is known as a membrane having the same effect. However, the zeolite membrane has pores of angstrom order and has the disadvantage that the diffusion of the substance is bad and the pressure loss is large, but the thin film of the present invention is nano order. Therefore, the pressure loss is small and it is useful as a catalyst membrane.

一部又は全てのイオン交換点にプロトンを保持させた際は酸触媒として有用であり、また遷移金属を用い、薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物を合成する場合、または遷移金属微粒子を薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物に担持させる場合は、遷移金属によって機能は異なるが、酸化触媒、還元触媒、縮合触媒、重合触媒、ルイス酸触媒などとして有用である。   It is useful as an acid catalyst when protons are held at some or all of the ion exchange points. Also, it uses transition metals and has pores with a diameter smaller than that of the thin film within the pores of the thin film. In the case of synthesizing a metal oxide having at least one of conductivity and ion exchange properties, or the transition metal fine particles have pores having a diameter smaller than that of the thin film in the pores of the thin film, When supported on a metal oxide having at least one of proton conductivity and ion exchange properties, the function varies depending on the transition metal, but the oxidation catalyst, reduction catalyst, condensation catalyst, polymerization catalyst, Lewis acid catalyst. It is useful as such.

例えば、ビスフェノールA合成用触媒、CO酸化用触媒、ポリアセチレン製造用触媒、ポリオレフィン製造用触媒、オレフィン類のエポキシ化反応用触媒などに有用である。   For example, it is useful as a catalyst for bisphenol A synthesis, a catalyst for CO oxidation, a catalyst for polyacetylene production, a catalyst for polyolefin production, a catalyst for epoxidation reaction of olefins, and the like.

これらの触媒活性種となるプロトンや遷移金属を該薄膜に導入する際、該薄膜がイオン交換性を有していることが好ましい。該薄膜がイオン交換性を有している場合は、アルコールや水などの極性溶媒に鉱酸や遷移金属塩又は錯体などを溶解させ、その溶液に該薄膜を接触させることによりイオン交換が起こり、該薄膜全体に、より均一に触媒活性種となるプロトンや遷移金属を導入することが可能となるためである。   When introducing protons or transition metals serving as catalytically active species into the thin film, the thin film preferably has ion exchange properties. When the thin film has ion exchange properties, a mineral acid, a transition metal salt or a complex is dissolved in a polar solvent such as alcohol or water, and ion exchange occurs by bringing the thin film into contact with the solution, This is because it becomes possible to introduce protons and transition metals that become catalytically active species more uniformly into the entire thin film.

イオン交換性は、特に限定されないが、電荷の異なる複数の金属酸化物から成る複合金属酸化物、例えば、3価の金属(例えばAl)と4価の金属(例えばSi)から成る複合金属酸化物はAl原子が4つの共有結合を有する場合が生じ、Al原子上(近傍)はAlは元々3価金属であることから、マイナスの電荷を生じることになる。その際、複合酸化物上のマイナスの電荷を補うために、カウンターカチオンが生じる。そのカウンターカチオンは、イオン交換可能となり、その複合酸化物はイオン交換性を有するものとなる。また、金属酸化物表面にスルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、プロトン化イミダゾール基などが導入されている場合は、それら官能基はプロトンを放出しやすいことから、各種金属カチオンなどとイオン交換が可能となり、イオン交換性を有するものとなる。   The ion exchange property is not particularly limited, but a composite metal oxide composed of a plurality of metal oxides having different charges, for example, a composite metal oxide composed of a trivalent metal (for example, Al) and a tetravalent metal (for example, Si). Occurs when the Al atom has four covalent bonds, and since Al is originally a trivalent metal on the Al atom (near), a negative charge is generated. At that time, a counter cation is generated to compensate for the negative charge on the composite oxide. The counter cation can be ion-exchanged, and the composite oxide has ion-exchange properties. In addition, when a sulfonic acid group, phosphoric acid group, carboxylic acid group, protonated imidazole group, etc. are introduced on the surface of the metal oxide, these functional groups easily release protons. Exchange becomes possible and it has ion exchange property.

本発明の薄膜は、直接メタノール型燃料電池(DMFC)、高分子電解質型燃料電池(PEFC)などの燃料電池用途やイオン伝導膜を必要とする電気化学センサー用途、キャパシターなどに有用であり、また、酸触媒膜、イオン交換膜などの触媒膜、分離膜としても有用である。   The thin film of the present invention is useful for fuel cell applications such as direct methanol fuel cells (DMFC) and polymer electrolyte fuel cells (PEFC), electrochemical sensor applications requiring ion conductive membranes, capacitors, etc. It is also useful as a catalyst membrane such as an acid catalyst membrane or an ion exchange membrane, or a separation membrane.

以下に本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
第一段階として、宇部興産(株)製の多孔質ポリイミド膜(商品名:ユーピレックス(登録商標)PT)を0.3g用いた。走査型電子顕微鏡により確認した結果、上記多孔質ポリイミド膜は網目のような構造を有しており、3次元細孔を有するものであった。また、バブルポイント法及びハーフドライ法に基づくパームポロメター(PMIパームポロメーターCF−200AE)により測定した結果、上記多孔質ポリイミド膜の平均細孔径は約150nmであった。また、多孔質ポリイミド膜の厚みは約30μmであった。
Example 1
As a first step, 0.3 g of a porous polyimide film (trade name: Upilex (registered trademark) PT) manufactured by Ube Industries, Ltd. was used. As a result of confirmation with a scanning electron microscope, the porous polyimide film had a network-like structure and had three-dimensional pores. Moreover, as a result of measuring by the palm porometer (PMI palm porometer CF-200AE) based on the bubble point method and a half-dry method, the average pore diameter of the said porous polyimide film was about 150 nm. The thickness of the porous polyimide film was about 30 μm.

第2段階として、界面活性剤であるポリエチレングリコール−ブロック−ポリプロピレングリコール−ブロック−ポリエチレングリコール(アルドリッチ社製:平均分子量5800)2gに対し、メタノール14mlと5M硝酸水溶液80μlを加え、攪拌し、均一な溶液とした。その後テトラエトキシシラン(Si(OCHCH、以下「TEOS」という)3.57ml(16mmol)を加え40℃にて3時間攪拌した。その後、メルカプトプロピルトリメトキシシラン(以下「MPTMS」という)(アルドリッチ社製)0.756ml、過酸化水素水30wt%3.65mlを加え40℃にて20時間攪拌した。 As the second step, 14 ml of methanol and 80 μl of 5M aqueous nitric acid solution are added to 2 g of a surfactant, polyethylene glycol-block-polypropylene glycol-block-polyethylene glycol (Aldrich: average molecular weight 5800), and the mixture is stirred uniformly. It was set as the solution. Thereafter, 3.57 ml (16 mmol) of tetraethoxysilane (Si (OCH 2 CH 3 ) 4 , hereinafter referred to as “TEOS”) was added and stirred at 40 ° C. for 3 hours. Thereafter, 0.756 ml of mercaptopropyltrimethoxysilane (hereinafter referred to as “MPTMS”) (manufactured by Aldrich) and 3.65 ml of hydrogen peroxide solution were added and stirred at 40 ° C. for 20 hours.

以上のように調製した前駆体溶液に、第1段階での膜(多孔質ポリイミド膜)を浸し、膜を浸した前駆体溶液の入った容器ごと超音波水浴中へ浸し、室温で5分間超音波を接触させた。   In the precursor solution prepared as described above, the film in the first stage (porous polyimide film) is immersed, and the entire container containing the precursor solution in which the film is immersed is immersed in an ultrasonic water bath, and at room temperature for over 5 minutes. A sound wave was brought into contact.

その後膜を引き上げ、膜面上に残る余剰前駆体液を液切りし、室温下にて膜を乾燥後、流動パラフィン中に該膜を浸し60℃にて20時間加熱した。その後、膜を引き上げ、ヘキサンにて膜に付着した流動パラフィンを洗い流し、100℃にて一晩乾燥後、平均細孔径約150nmの細孔を有する薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性の性質を有する金属酸化物を含有し、金属酸化物細孔壁にプロトン供与基を配した薄膜膜を得た。   Thereafter, the membrane was pulled up, the excess precursor solution remaining on the membrane surface was drained, the membrane was dried at room temperature, then immersed in liquid paraffin, and heated at 60 ° C. for 20 hours. Thereafter, the membrane is pulled up, the liquid paraffin adhering to the membrane is washed away with hexane, dried at 100 ° C. overnight, and the diameter smaller than the pore diameter of the thin film is within the pores of the thin film having pores with an average pore diameter of about 150 nm. Thus, a thin film film containing a metal oxide having proton conductivity and ion exchange properties and having proton donating groups arranged on the metal oxide pore wall was obtained.

なお、上記において薄膜の細孔内に細孔径より小さい直径の細孔を有する構造体が存在することの確認は透過型電子顕微鏡観察及び窒素吸着測定により行い、その構造体が金属酸化物であることの確認はエネルギー分散型蛍光X線分析により行った。   In the above, it is confirmed by observation with a transmission electron microscope and nitrogen adsorption measurement that the structure having pores having a diameter smaller than the pore diameter exists in the pores of the thin film, and the structure is a metal oxide. This was confirmed by energy dispersive X-ray fluorescence analysis.

得られた薄膜を相対湿度70%条件下、交流複素インピーダンス法により電導度を測定すると、室温で20mS・cm−1であり、プロトン高電導性を確認した。この薄膜はプロトン伝導膜として用い得る。 When the conductivity of the obtained thin film was measured by the AC complex impedance method under a relative humidity of 70%, it was 20 mS · cm −1 at room temperature, and proton high conductivity was confirmed. This thin film can be used as a proton conducting membrane.

(実施例2)
第一段階として、宇部興産(株)製の多孔質ポリイミド膜(商品名:ユーピレックス(登録商標)PT)を0.3g用いた。
細孔径は約150nmであった。多孔質ポリイミド膜の厚みは約30μmであった。
(Example 2)
As a first step, 0.3 g of a porous polyimide film (trade name: Upilex (registered trademark) PT) manufactured by Ube Industries, Ltd. was used.
The pore diameter was about 150 nm. The thickness of the porous polyimide film was about 30 μm.

第2段階として、界面活性剤であるポリエチレングリコール−ブロック−ポリプロピレングリコール−ブロック−ポリエチレングリコール(アルドリッチ社製:平均分子量5800)1gに対し、メタノール7ml、純水40μlを加え、ZrCl0.233gを加え、攪拌し、均一な溶液とした。その後TEOS1.61mlを加え、室温にて1時間攪拌した。その後、MPTMS0.34ml添加し室温にて3時間攪拌後、過酸化水素水30wt%1.65mlを加え室温にて20時間攪拌した。 As a second step, 7 ml of methanol and 40 μl of pure water are added to 1 g of polyethylene glycol-block-polypropylene glycol-block-polyethylene glycol (Aldrich: average molecular weight: 5800) which is a surfactant, and 0.233 g of ZrCl 4 is added. In addition, the mixture was stirred to obtain a uniform solution. Thereafter, 1.61 ml of TEOS was added and stirred at room temperature for 1 hour. Thereafter, 0.34 ml of MPTMS was added and stirred at room temperature for 3 hours, and then 30 wt% 1.65 ml of hydrogen peroxide was added and stirred at room temperature for 20 hours.

以上のように調製した前駆体溶液に、第1段階での膜(多孔質ポリイミド膜)を浸し、膜を浸した前駆体溶液の入った容器ごと超音波水浴中へ浸し、室温で5分間超音波を接触させた。   In the precursor solution prepared as described above, the film in the first stage (porous polyimide film) is immersed, and the entire container containing the precursor solution in which the film is immersed is immersed in an ultrasonic water bath, and at room temperature for over 5 minutes. A sound wave was brought into contact.

その後膜を引き上げ、膜面上に残る余剰前駆体液を液切りし、室温下にて膜乾燥後、流動パラフィン中に該膜を浸し60℃にて20時間加熱した。その後、膜を引き上げ、ヘキサンにて膜に付着した流動パラフィンを洗い流し、100℃にて一晩乾燥により、平均直径150nmの細孔を有する薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性の性質を有する金属酸化物を含有し、金属酸化物細孔壁にプロトン供与基を配した薄膜を得た。得られた薄膜については実施例1と同様の確認を行った。   Thereafter, the membrane was pulled up, the excess precursor solution remaining on the membrane surface was drained, and after drying the membrane at room temperature, the membrane was immersed in liquid paraffin and heated at 60 ° C. for 20 hours. Thereafter, the membrane is pulled up, the liquid paraffin adhering to the membrane is washed away with hexane, and dried at 100 ° C. overnight, so that the fine pores having a diameter smaller than the pore diameter of the thin film are inserted into the pores of the thin film having pores having an average diameter of 150 nm. A thin film containing a metal oxide having pores, proton conductivity and ion exchange properties, and having proton donating groups arranged on the pore walls of the metal oxide was obtained. About the obtained thin film, the same confirmation as Example 1 was performed.

得られた薄膜を相対湿度70%条件下、交流複素インピーダンス法により電導度を測定すると、室温で21mS・cm−1であり、プロトン高電導性を確認した。 When the conductivity of the obtained thin film was measured by the AC complex impedance method under the condition of a relative humidity of 70%, it was 21 mS · cm −1 at room temperature, and proton high conductivity was confirmed.

(実施例3)
第一段階として、宇部興産(株)製の多孔質ポリイミド膜(商品名:ユーピレックス(登録商標)PT)を1g用い(細孔径は約150nmであった。多孔質ポリイミド膜の厚みは約30μm)、窒素雰囲気下、120mlの脱水したクロロホルムを溶媒として加え、アイスバスにより0℃に冷やした後、1mmolのクロロスルホン酸をゆっくりと滴下した。その後、0℃にて30分攪拌を続け、室温に昇温し30分攪拌、70℃へ昇温し30分攪拌し、温度を下げ氷水中へ注ぎ、希塩酸で膜を洗った。
(Example 3)
As a first step, 1 g of a porous polyimide film (trade name: Upilex (registered trademark) PT) manufactured by Ube Industries, Ltd. was used (the pore diameter was about 150 nm. The thickness of the porous polyimide film was about 30 μm). Under a nitrogen atmosphere, 120 ml of dehydrated chloroform was added as a solvent and cooled to 0 ° C. with an ice bath, and then 1 mmol of chlorosulfonic acid was slowly added dropwise. Thereafter, stirring was continued at 0 ° C. for 30 minutes, the temperature was raised to room temperature, stirring was continued for 30 minutes, the temperature was raised to 70 ° C., stirring was continued for 30 minutes, the temperature was lowered and poured into ice water, and the membrane was washed with dilute hydrochloric acid.

第2段階として、界面活性剤であるポリエチレングリコール−ブロック−ポリプロピレングリコール−ブロック−ポリエチレングリコール(アルドリッチ社製:平均分子量5800)1gに対し、メタノール7ml、純水40μlを加え、ZrCl0.233gを加え、攪拌し、均一な溶液とした。その後TEOS1.61mlを加え、室温にて1時間攪拌した。その後、MPTMS0.34ml添加し室温にて3時間攪拌後、過酸化水素水30wt%1.65mlを加え室温にて20時間攪拌した。 As a second step, 7 ml of methanol and 40 μl of pure water are added to 1 g of polyethylene glycol-block-polypropylene glycol-block-polyethylene glycol (Aldrich: average molecular weight: 5800) which is a surfactant, and 0.233 g of ZrCl 4 is added. In addition, the mixture was stirred to obtain a uniform solution. Thereafter, 1.61 ml of TEOS was added and stirred at room temperature for 1 hour. Thereafter, 0.34 ml of MPTMS was added and stirred at room temperature for 3 hours, and then 30 wt% 1.65 ml of hydrogen peroxide was added and stirred at room temperature for 20 hours.

以上のように調製した前駆体溶液に、第1段階での膜(多孔質ポリイミド膜)の0.15g分を切り分けた膜を浸し、膜を浸した前駆体溶液の入った容器ごと超音波水浴中へ浸し、室温で5分間超音波を接触させた。   The precursor solution prepared as described above is immersed in a film obtained by dividing 0.15 g of the film (porous polyimide film) in the first step, and the ultrasonic water bath together with the container containing the precursor solution in which the film is immersed It was immersed in and contacted with ultrasonic waves for 5 minutes at room temperature.

その後膜を引き上げ、膜面上に残る余剰前駆体液を液切りし、室温下にて膜乾燥後、流動パラフィン中に該膜を浸し60℃にて20時間加熱した。その後、膜を引き上げ、ヘキサンにて膜に付着した流動パラフィンを洗い流し、100℃にて一晩乾燥により、平均直径150nmの細孔を有する薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性の性質を有する金属酸化物を含有し、金属酸化物細孔壁にプロトン供与基を配した薄膜を得た。得られた薄膜については実施例1と同様の確認を行った。   Thereafter, the membrane was pulled up, the excess precursor solution remaining on the membrane surface was drained, and after drying the membrane at room temperature, the membrane was immersed in liquid paraffin and heated at 60 ° C. for 20 hours. Thereafter, the membrane is pulled up, the liquid paraffin adhering to the membrane is washed away with hexane, and dried at 100 ° C. overnight, so that the fine pores having a diameter smaller than the pore diameter of the thin film are inserted into the pores of the thin film having pores having an average diameter of 150 nm. A thin film containing a metal oxide having pores, proton conductivity and ion exchange properties, and having proton donating groups arranged on the pore walls of the metal oxide was obtained. About the obtained thin film, the same confirmation as Example 1 was performed.

得られた薄膜を相対湿度70%条件下、交流複素インピーダンス法により電導度を測定すると、室温で40mS・cm−1であり、プロトン高電導性を確認した。この薄膜はプロトン伝導膜として優れるものである。 When the conductivity of the obtained thin film was measured by the AC complex impedance method under the condition of 70% relative humidity, it was 40 mS · cm −1 at room temperature, and proton high conductivity was confirmed. This thin film is excellent as a proton conductive membrane.

(比較例1)
トリメチルフォスフェート((CHO)P(O))0.742g(0.0053mol)、テトラエトキシシラン20.83g(0.1mol)、水1.63g、エタノール4.6g(0.1mol)、HCl(36wt%水溶液)0.027gを加え撹拌し(CHO)P(O):Si(OEt):HO:EtOH:HCl=0.053:1:1:1:0.0027のモル比で混合)、その混合液に水7.5g、エタノール4.83g(0.1053mol)、HCl(36wt%水溶液)0.117gの混合液を加え1時間撹拌した。得られた混合物へ8.06mlホルムアミドを加え、1ヶ月間放置した。
(Comparative Example 1)
Trimethyl phosphate ((CH 3 O) 3 P (O)) 0.742 g (0.0053 mol), tetraethoxysilane 20.83 g (0.1 mol), water 1.63 g, ethanol 4.6 g (0.1 mol) , 0.027 g of HCl (36 wt% aqueous solution) was added and stirred (CH 3 O) 3 P (O): Si (OEt) 4 : H 2 O: EtOH: HCl = 0.053: 1: 1: 1: 0. The mixture was mixed with 7.5 g of water, 4.83 g (0.1053 mol) of ethanol, and 0.117 g of HCl (36 wt% aqueous solution), and stirred for 1 hour. 8.06 ml formamide was added to the resulting mixture and left for 1 month.

得られたゲルを空気中で50℃/hで昇温し、2時間700℃で焼成し、網目状の細孔を有するメソポーラスP−SiOガラスを得た(背景技術の非特許文献3を追試した)。しかし、焼成後は脆く、膜は破損しやすいものであった。ちなみに実施例1〜3で製造した薄膜は、しなやかで破損することはなく、ハンドリング性に優れるものであった。 The obtained gel was heated in air at 50 ° C./h and baked at 700 ° C. for 2 hours to obtain mesoporous P 2 O 5 —SiO 2 glass having mesh-like pores (non-patent of background art) I reviewed Reference 3). However, it was brittle after firing and the film was easily damaged. Incidentally, the thin films produced in Examples 1 to 3 were flexible and not damaged, and were excellent in handling properties.

得られた薄膜を相対湿度70%条件下、交流複素インピーダンス法により電導度を測定すると、室温で20mS・cm−1であった。 When the conductivity of the obtained thin film was measured by the AC complex impedance method under the condition of 70% relative humidity, it was 20 mS · cm −1 at room temperature.

実施例と比較例より、本発明の薄膜はハンドリング性に優れ、高いプロトン伝導性を示し、電気・エネルギーデバイスとしての有用性が示された。   From the examples and comparative examples, the thin film of the present invention was excellent in handling properties, exhibited high proton conductivity, and was useful as an electric / energy device.

本発明は従来なかった直径2nm〜500nmの3次元細孔を有する薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有する金属酸化物を含有し、その金属酸化物はプロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する薄膜であり、燃料電池用プロトン伝導膜やイオン伝導膜を必要とする電気化学センサー用途、キャパシターなどに有用であり、また、酸触媒膜、イオン交換膜などの触媒膜、分離膜としても有用である。   The present invention contains a metal oxide having pores having a diameter smaller than the pore diameter of the thin film in the pores of the thin film having a three-dimensional pore having a diameter of 2 nm to 500 nm, which has not been heretofore, and the metal oxide has proton conductivity. , A thin film having at least one of ion exchange properties, useful for a proton conductive membrane for a fuel cell, an electrochemical sensor application requiring an ion conductive membrane, a capacitor, and the like, and an acid catalyst membrane It is also useful as a catalyst membrane such as an ion exchange membrane and a separation membrane.

Claims (13)

直径2nm〜500nmの3次元細孔を有する薄膜の細孔内に薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物を含有することを特徴とする薄膜。 Metal having pores with a diameter smaller than the pore diameter of the thin film in the pores of the thin film having three-dimensional pores having a diameter of 2 nm to 500 nm, and having at least one of proton conductivity and ion exchange properties A thin film characterized by containing an oxide. 薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物がリン原子、硫黄原子、窒素原子少なくとも1種類以上を含むことを特徴とする請求項1記載の薄膜。 The metal oxide having a pore having a diameter smaller than the pore diameter of the thin film and having at least one of proton conductivity and ion exchange properties contains at least one kind of phosphorus atom, sulfur atom and nitrogen atom. The thin film according to claim 1. 薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物の細孔に有機ポリマーが接触していることを特徴とする請求項1または2記載の薄膜。 The organic polymer is in contact with the pores of a metal oxide having a pore diameter smaller than that of the thin film and having at least one of proton conductivity and ion exchange properties. The thin film according to claim 1 or 2. 有機ポリマーがスルホン酸基、リン酸基、含窒素官能基およびカルボン酸基から選ばれる官能基を少なくとも一つ以上含むことを特徴とする請求項3記載の薄膜。 The thin film according to claim 3, wherein the organic polymer contains at least one functional group selected from a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a nitrogen-containing functional group and a carboxylic acid group. 有機ポリマーがメタノール不透過性有機ポリマーであることを特徴とする請求項3または4記載の薄膜。 The thin film according to claim 3 or 4, wherein the organic polymer is a methanol-impermeable organic polymer. 直径2nm〜500nmの細孔を有する薄膜がセラミックスであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか記載の薄膜。 The thin film according to claim 1, wherein the thin film having pores having a diameter of 2 nm to 500 nm is ceramics. 直径2nm〜500nmの細孔を有する薄膜が有機ポリマーであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか記載の薄膜。 The thin film according to any one of claims 1 to 5, wherein the thin film having pores having a diameter of 2 nm to 500 nm is an organic polymer. 請求項7記載の有機ポリマーがスルホン酸基、リン酸基、含窒素官能基およびカルボン酸基から選ばれる官能基を少なくとも一つ以上含むことを特徴とする請求項7記載の薄膜。 8. The thin film according to claim 7, wherein the organic polymer according to claim 7 contains at least one functional group selected from a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a nitrogen-containing functional group and a carboxylic acid group. 請求項7または8記載の有機ポリマーがポリイミドであることを特徴とする請求項7または8記載の薄膜。 The thin film according to claim 7 or 8, wherein the organic polymer according to claim 7 or 8 is polyimide. 薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物が周期表の2族〜16族までの元素を少なくとも1つ以上含むことを特徴とする請求項1〜9のいずれか記載の薄膜。 A metal oxide having pores with a diameter smaller than the pore size of the thin film and having at least one of proton conductivity and ion exchange properties is at least one element from groups 2 to 16 of the periodic table. The thin film according to claim 1, comprising two or more. 薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物がゾル−ゲル法によって得られることを特徴とする請求項1〜10のいずれか記載の薄膜。 The metal oxide having pores with a diameter smaller than that of the thin film and having at least one of proton conductivity and ion exchange properties is obtained by a sol-gel method. The thin film in any one of 1-10. 薄膜がイオン交換体またはプロトン伝導膜として用いられるものである請求項1〜10のいずれか記載の薄膜。 The thin film according to any one of claims 1 to 10, wherein the thin film is used as an ion exchanger or a proton conducting membrane. 請求項1〜12のいずれか記載の薄膜の細孔径より小さい直径の細孔を有し、プロトン伝導性、イオン交換性のいずれかの性質を少なくとも1つ以上有する金属酸化物を、1段階(ワンポット)で薄膜の細孔内に合成することを特徴とする薄膜の製造方法。 A metal oxide having pores having a diameter smaller than the pore size of the thin film according to any one of claims 1 to 12 and having at least one property of proton conductivity and ion exchange properties in one stage ( A method for producing a thin film characterized in that it is synthesized in the pores of the thin film in one pot.
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