JP2007242524A - Organic-inorganic hybrid electrolyte membrane, its manufacturing method, and fuel cell - Google Patents

Organic-inorganic hybrid electrolyte membrane, its manufacturing method, and fuel cell Download PDF

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幸久 片山
Shinji Inagaki
伸二 稲垣
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悟 藤田
Masataka Ohashi
雅卓 大橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form an independent organic-inorganic hybrid electrolyte membrane by using an organic-inorganic hybrid electrolyte having high ion conductivity even at low temperatures; and to provide a high-performance fuel cell allowing the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane to be used in a polymer electrolyte fuel cell. <P>SOLUTION: This organic-inorganic hybrid electrolyte membrane is formed by filling a mesoporous organic-inorganic hybrid material in pores of a porous membrane. The mesoporous organic-inorganic hybrid material has minute pores each having a center pore diameter of 1-50 nm, and has a skeleton comprising an organic group having one or more metal atoms, oxygen atoms bonded to the metal atoms, and carbon atoms bonded to the metal atoms or the oxygen atoms, and a functional group bonded to the organic group in the minute pores and having ion exchange capacity. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、有機無機ハイブリッド電解質膜、その製造方法、及びこれらを用いた燃料電池に関する。更に詳しくは、燃料電池に用いられる電解質膜に好適な、自立性と、強度、耐久性、化学的安定性を兼ね備えた有機無機ハイブリッド電解質膜に関するものである。   The present invention relates to an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane, a method for producing the membrane, and a fuel cell using these. More specifically, the present invention relates to an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane that is suitable for an electrolyte membrane used in a fuel cell and has both self-supporting property, strength, durability, and chemical stability.

従来より、イオン伝導性を有するβ−アルミナ、窒化リチウム、安定化ジルコニア等の固体電解質を、燃料電池の電解質膜、全固体電池の電解質、センサー等へ適用する検討が進められている。これらの固体電解質のイオン伝導性は、固体中の格子又は欠陥間をイオンが移動することにより発現するものと考えられている。   Conventionally, studies are being made to apply a solid electrolyte such as β-alumina, lithium nitride, and stabilized zirconia having ion conductivity to an electrolyte membrane of a fuel cell, an electrolyte of an all-solid battery, a sensor, and the like. The ionic conductivity of these solid electrolytes is considered to be manifested by ions moving between lattices or defects in the solid.

また、固体高分子型燃料電池の電解質膜として検討されているパーフルオロスルホン酸や炭化水素系高分子等の高分子電解質においては、水等の電解質液で湿潤した場合に、高分子鎖の隙間に存在する電解質液中をイオンが移動することによりイオン導電性を示すことが知られており、これらは準固体電解質と呼ばれている。そして、これらの高分子電解質は、比較的低温でイオン伝導性を示す;薄膜等への成形性に優れる;電極との接触性が良好である、等の利点を有していることから、特に燃料電池の電解質膜として注目を集めている。   Also, in polymer electrolytes such as perfluorosulfonic acid and hydrocarbon polymers that have been studied as electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells, polymer chain gaps when wetted with an electrolyte solution such as water. It is known that ion conductivity is exhibited by movement of ions in an electrolyte solution existing in the field, and these are called quasi-solid electrolytes. These polymer electrolytes have advantages such as ion conductivity at a relatively low temperature; excellent formability to a thin film, etc .; good contact with electrodes, etc. It is attracting attention as an electrolyte membrane for fuel cells.

しかしながら、従来の固体電解質においては、通常、格子又は欠陥間をイオンが移動するための活性化エネルギーが大きいので、低温条件下では必ずしも十分なイオン導電性を示さない。したがって、十分に高いイオン導電性を得るためには、加熱装置等を用いて高温条件下(例えば安定化ジルコニアの場合700℃以上)に保持しなければならないという問題がある。   However, in conventional solid electrolytes, the activation energy for moving ions between lattices or defects is usually large, so that sufficient ionic conductivity is not always exhibited under low temperature conditions. Therefore, in order to obtain sufficiently high ionic conductivity, there is a problem in that it must be maintained under a high temperature condition (for example, 700 ° C. or more in the case of stabilized zirconia) using a heating device or the like.

一方、従来の高分子電解質は、通常、上記従来の固体電解質に比べて低温でイオン伝導性を示すものであるが、電解質液が高分子鎖の隙間に十分に満たされていない状態では必ずしも十分なイオン伝導性を示さない。そのため、高分子電解質を用いる際には電解質液の蒸気圧を飽和蒸気圧とする必要があり、例えば電解質液として水を用いる場合には、加湿装置等を用いて雰囲気中の水蒸気の相対圧力を1.0(すなわち湿度100%RH)に保持しなければならないという問題がある。   On the other hand, conventional polymer electrolytes usually exhibit ionic conductivity at a lower temperature than the above-mentioned conventional solid electrolytes, but are not necessarily sufficient when the electrolyte solution is not sufficiently filled in the gaps between the polymer chains. It does not show ionic conductivity. Therefore, when using a polymer electrolyte, it is necessary to set the vapor pressure of the electrolyte solution to a saturated vapor pressure.For example, when water is used as the electrolyte solution, the relative pressure of water vapor in the atmosphere is set using a humidifier or the like. There is a problem that it must be maintained at 1.0 (that is, humidity 100% RH).

そこで、下記特許文献1には、雰囲気中の水蒸気の相対圧力が1.0未満であっても、安定化ジルコニウム等の従来の固体電解質よりも低温で十分に高いイオン伝導性を示す固体電解質を提供することを目的として、固体電解質の材料に中心細孔直径が特定の範囲内にある細孔を有する有機無機ハイブリッド材料を用い、その有機無機ハイブリッド材料の骨格を構成する有機基にイオン交換能を有する官能基を結合させた有機無機ハイブリッド電解質が開示されている。すなわち、中心細孔直径1〜30nmの細孔を有し、且つ金属原子、前記金属原子に結合した酸素原子、並びに前記金属原子又は前記酸素原子に結合した炭素原子を1以上有する有機基からなる骨格と、前記細孔内において前記有機基と結合したイオン交換能を有する官能基とを有する有機無機ハイブリッド電解質が開示されている。   Therefore, Patent Document 1 below discloses a solid electrolyte that exhibits sufficiently high ionic conductivity at a lower temperature than conventional solid electrolytes such as stabilized zirconium even when the relative pressure of water vapor in the atmosphere is less than 1.0. For the purpose of providing, an organic-inorganic hybrid material having a pore whose central pore diameter is within a specific range is used as a solid electrolyte material, and an ion exchange capacity is formed on an organic group constituting the skeleton of the organic-inorganic hybrid material. An organic-inorganic hybrid electrolyte to which a functional group having s is bonded is disclosed. That is, it has a pore having a central pore diameter of 1 to 30 nm and comprises a metal atom, an oxygen atom bonded to the metal atom, and an organic group having one or more carbon atoms bonded to the metal atom or the oxygen atom. An organic-inorganic hybrid electrolyte having a skeleton and a functional group having ion exchange ability bonded to the organic group in the pores is disclosed.

特許文献1によれば、固体電解質の材料として中心細孔直径が上記特定の範囲内にある細孔を有し且つ上記特性の骨格を有する有機無機ハイブリッド材料を用い、その有機無機ハイブリッド材料の細孔内において、イオン交換能を有する官能基と有機基とを結合させることによって、雰囲気中の水蒸気の相対圧力が1.0未満であっても、毛管凝縮現象により細孔内が水で十分に満たされる。そして、このように水で十分に満たされた細孔内においては、イオン交換能を有する官能基によって、高分子電解質の場合と同様のイオン伝導機構で水中のイオンを十分に伝導することが可能となるので、雰囲気中の水蒸気の相対圧力が1.0未満であっても、安定化ジルコニウム等の従来の固体電解質よりも低温で十分に高いイオン伝導性を得ることが可能となるとされている。   According to Patent Document 1, an organic-inorganic hybrid material having a pore whose central pore diameter is in the specific range and having a skeleton having the above characteristics is used as a solid electrolyte material. By bonding the functional group having ion exchange capacity and the organic group in the pores, even if the relative pressure of water vapor in the atmosphere is less than 1.0, the pores are sufficiently filled with water due to the capillary condensation phenomenon. It is filled. And, in the pores sufficiently filled with water in this way, it is possible to sufficiently conduct ions in water by the same ion conduction mechanism as in the case of the polymer electrolyte by the functional group having ion exchange ability Therefore, even if the relative pressure of water vapor in the atmosphere is less than 1.0, it is said that sufficiently high ion conductivity can be obtained at a lower temperature than conventional solid electrolytes such as stabilized zirconium. .

界面活性剤を利用して合成される様々なメソポーラス物質を見出してから約10年が経つ(例えば、下記非特許文献1〜3)。特に・豊田中研・Mobil社が新規メソポーラス材料を報告してから、様々なメソポーラス材料に関する研究がなされており、それに伴う多くの報告例がある。これらの細孔表面あるいは骨格中に有機基を導入することにより、有機基の特性に応じた機能が期待できるため非常に注目されている。一方、これらの機能を活かし、応用展開する上で、コート膜ではなく、膜が単独で自立した構造をとる自立膜形態は非常に重要である。例えば、メソポーラス物質を様々な支持体に担持したり、高分子との複合化させることが考えられている。   About 10 years have passed since the discovery of various mesoporous materials synthesized using surfactants (for example, Non-Patent Documents 1 to 3 below). In particular, since Toyota Chuken and Mobil reported new mesoporous materials, research on various mesoporous materials has been conducted, and there are many reports accompanying it. Since introduction of an organic group into the surface or skeleton of these pores can be expected to have a function corresponding to the characteristics of the organic group, it has attracted much attention. On the other hand, in taking advantage of these functions and developing applications, a self-supporting film configuration in which the film is not a coating film but has a self-supporting structure is very important. For example, it is considered that a mesoporous material is supported on various supports or complexed with a polymer.

ところで、固体高分子型燃料電池の基本構造は、電解質膜と、その両面に接合された一対の、触媒層を有するガス拡散電極とで構成され、更にその両側に集電体を配する構造からなっている。そして、一方のガス拡散電極(アノード)に燃料である水素やメタノールを、もう一方のガス拡散電極(カソード)に酸化剤である酸素や空気をそれぞれ供給し、両方のガス拡散電極間に外部負荷回路を接続することにより、燃料電池として作動する。このとき、アノードで生成したプロトンは電解質膜を通ってカソード側に移動し、カソードで酸素と反応して水を生成する。   By the way, the basic structure of a polymer electrolyte fuel cell is composed of an electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes having a catalyst layer bonded to both sides thereof, and a structure in which current collectors are arranged on both sides thereof. It has become. Then, hydrogen or methanol as fuel is supplied to one gas diffusion electrode (anode), oxygen or air as oxidant is supplied to the other gas diffusion electrode (cathode), and an external load is applied between both gas diffusion electrodes. By connecting the circuit, it operates as a fuel cell. At this time, protons generated at the anode move to the cathode side through the electrolyte membrane, and react with oxygen at the cathode to generate water.

ここで電解質膜はプロトンの移動媒体、及び水素ガスや酸素ガスの隔膜として機能している。従って、電解質膜としては、高いプロトン伝導性、強度、化学的安定性が要求される。特に、固体高分子型燃料電池に用いる電解質膜としては、膜抵抗を低下させ、膜中の水移動を促進させるために膜厚を薄くすることが望まれている。しかし、膜厚が薄くなると膜強度も低下するため、膜を扱う際のハンドリング性が低下する問題があった。   Here, the electrolyte membrane functions as a proton transfer medium and a hydrogen gas or oxygen gas diaphragm. Therefore, the electrolyte membrane is required to have high proton conductivity, strength, and chemical stability. In particular, as an electrolyte membrane used for a polymer electrolyte fuel cell, it is desired to reduce the film thickness in order to reduce membrane resistance and promote water movement in the membrane. However, since the film strength decreases as the film thickness decreases, there is a problem in that the handling property when the film is handled decreases.

国際公開WO2002−037506号公報International Publication WO2002-037506 C.T.Kresge et al.,Nature,359,710(1992)C. T. T. et al. Kresge et al. , Nature, 359, 710 (1992). J.S.Beck et a1.,J.Am.Chem.Soc.,114,10834(1992)J. et al. S. Beck et a1. , J .; Am. Chem. Soc. , 114, 10834 (1992) S.Inagaki etal.,Chem.Commun.,680(1993)S. Inagaki et al. , Chem. Commun. , 680 (1993)

従来得られているメソポーラス細孔を有する有機無機ハイプリッド膜は、骨格構造が硬く、柔軟性に乏しいため、単独で自立構造が保持できず、コート膜としてのみ利用できなかった。例えばアルコキシシラン、有機含有アルコキシシラン、有機架橋型アルコキシシランを原料にして、従来のゾルーゲル合成方法で得られる自立膜の構造は−O−Si−O−結合が3次元網の目に構成され(架橋密度が高い)、その結果として、非常に剛直な硬化物が得られる。有機無機ハイブリシドメソ多孔体の利用範囲を広げるためには、コート膜だけでなく、自立膜として利用できることが望ましい。   Conventionally obtained organic / inorganic hybrid films having mesoporous pores have a hard skeletal structure and poor flexibility, and thus cannot stand by themselves and cannot be used only as a coating film. For example, the structure of a self-supporting film obtained by using a conventional sol-gel synthesis method using an alkoxysilane, an organic-containing alkoxysilane, or an organic crosslinked alkoxysilane as a raw material is configured with a three-dimensional network of -O-Si-O- bonds ( As a result, a very rigid cured product is obtained. In order to expand the use range of the organic-inorganic hybrid mesoporous material, it is desirable that it can be used as a self-supporting film as well as a coating film.

例えば、上記特許文献1に開示された有機無機ハイブリッド電解質は単独では自立した膜を形成できず、該有機無機ハイブリッド電解質の粉末を固化して固体電解質として用いることができなかった。   For example, the organic-inorganic hybrid electrolyte disclosed in Patent Document 1 cannot form a self-supporting film by itself, and the organic-inorganic hybrid electrolyte powder cannot be solidified and used as a solid electrolyte.

そこで、本発明は、低温でも高いイオン伝導性を有する有機無機ハイブリッド電解質を用いて、自立した有機無機ハイブリッド電解質膜を形成可能とするとともに、該有機無機ハイブリッド電解質膜を固体高分子型燃料電池に適用可能として高性能な燃料電池を実現することを目的とする。   Therefore, the present invention makes it possible to form a self-supporting organic-inorganic hybrid electrolyte membrane by using an organic-inorganic hybrid electrolyte having high ionic conductivity even at low temperatures, and the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane can be used as a solid polymer fuel cell. The purpose is to realize a high-performance fuel cell that can be applied.

本発明者らは鋭意研究した結果、多孔質膜の細孔と有機無機ハイブリッド電解質の微細孔を併せ持つ電解質膜によって、上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above problems can be solved by an electrolyte membrane having both the pores of the porous membrane and the fine pores of the organic-inorganic hybrid electrolyte, and have reached the present invention.

即ち、第1に、本発明は、多孔質膜の細孔内にメソポーラス有機無機ハイブリッド材料が充填された有機無機ハイブリッド電解質膜の発明であり、該メソポーラス有機無機ハイブリッド材料が、中心細孔直径1〜50nmの微細孔を有し、且つ金属原子、該金属原子に結合した酸素原子、並びに該金属原子又は該酸素原子に結合した炭素原子を1以上有する有機基からなる骨格と、該微細孔内において該有機基と結合したイオン交換能を有する官能基とを有することを特徴とする。   Specifically, first, the present invention is an invention of an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane in which pores of a porous membrane are filled with a mesoporous organic-inorganic hybrid material, and the mesoporous organic-inorganic hybrid material has a central pore diameter of 1 A skeleton having a fine pore of ˜50 nm and comprising a metal atom, an oxygen atom bonded to the metal atom, and an organic group having one or more carbon atoms bonded to the metal atom or the oxygen atom; And a functional group having an ion exchange ability bonded to the organic group.

本発明の有機無機ハイブリッド電解質膜において電解質部分を構成するメソポーラス有機無機ハイブリッド材料は上記構造を有するものが広く用いられる。その中で、炭素原子を1以上有する有機基と、前記有機基中の同一若しくは異なる炭素原子に結合した2以上の金属原子と、前記金属原子に結合した1以上の酸素原子とからなる有機無機ハイブリッド材料の骨格を有するものが好ましい。   As the mesoporous organic-inorganic hybrid material constituting the electrolyte part in the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane of the present invention, those having the above structure are widely used. Among them, an organic inorganic group comprising an organic group having one or more carbon atoms, two or more metal atoms bonded to the same or different carbon atoms in the organic group, and one or more oxygen atoms bonded to the metal atoms. Those having a skeleton of a hybrid material are preferred.

具体的には、有機無機ハイブリッド材料の骨格が、下記一般式(1):

Figure 2007242524
(上記式(1)中、Rは炭素原子を1以上有する有機基を表し、Mは金属原子を表す。Rは水素原子、水酸基又は炭化水素基を表す。xは金属Mの価数から1を差し引いた整数、nは1以上x以下の整数、mは2以上の整数を表す。なお、Mが結合するRの炭素は同一でも異なっていてもよい。また、−O1/2−は、これらが2つ結合することにより−O−となる基を表す。)
で表される構成単位の少なくとも1種からなるものが好ましく例示される。 Specifically, the skeleton of the organic-inorganic hybrid material has the following general formula (1):
Figure 2007242524
(In the above formula (1), R 1 represents an organic group having one or more carbon atoms, M represents a metal atom, R 2 represents a hydrogen atom, a hydroxyl group or a hydrocarbon group. X represents the valence of the metal M. from minus 1 integer, n represents 1 or x an integer, m is an integer of 2 or more. in addition, the carbon of R 1 that M is bonded may be the same or different. Further, -O 1 / 2- represents a group which becomes -O- when two of these are bonded.
What consists of at least 1 type of the structural unit represented by these is illustrated preferably.

前記イオン交換能を有する官能基としては、スルホン酸基、リン酸基及びカルボン酸基からなる群より選ばれる少なくとも1種が好ましく例示される。   Preferred examples of the functional group having ion exchange ability include at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a phosphoric acid group and a carboxylic acid group.

本発明では、前記メソポーラス有機無機ハイブリッド材料の微細孔内に界面活性剤を含有されていても良い。   In the present invention, a surfactant may be contained in the micropores of the mesoporous organic-inorganic hybrid material.

本発明の有機無機ハイブリッド電解質膜の主体となるミクロンオーダーの細孔を有する多孔質膜としては、シリカゲルなどの無機材料や各種高分子多孔質材料を用いることができる。   As the porous membrane having micron-order pores, which is the main component of the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane of the present invention, inorganic materials such as silica gel and various polymer porous materials can be used.

具体的には、前記多孔質膜として、ポリイミド(PI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエチレンイミド(PEI)、ポリサルホン(PSF)、ポリフェニルサルホン(PPSU)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、架橋ポリエチレン(CLPE)から選択される1種以上が好ましく例示される。   Specifically, as the porous film, polyimide (PI), polyetheretherketone (PEEK), polyethyleneimide (PEI), polysulfone (PSF), polyphenylsulfone (PPSU), polyphenylene sulfide (PPS), cross-linking One or more kinds selected from polyethylene (CLPE) are preferably exemplified.

また、前記多孔質膜として、下記一般式で表されるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)又は共重合成分を10モル%以下含むテトラフルオロエチレン共重合体が好ましく例示される。   Examples of the porous membrane include polytetrafluoroethylene (PTFE) represented by the following general formula or a tetrafluoroethylene copolymer containing 10 mol% or less of a copolymer component.

Figure 2007242524
(式中、Aは下記から選択される1種以上であり、a:b=1:0〜9:1である)
Figure 2007242524
(In the formula, A is one or more selected from the following, and a: b = 1: 0 to 9: 1)

Figure 2007242524
Figure 2007242524

更に、前記多孔質膜として、ポリシロキサンであり、該ポリシロキサン中の有機基が、メチル基、フェニル基、水素基または水酸基のうちから選択される少なくとも1種以上の基であるものが好ましく例示される。   Further, the porous film is preferably polysiloxane, and the organic group in the polysiloxane is preferably at least one group selected from methyl group, phenyl group, hydrogen group or hydroxyl group. Is done.

第2に、本発明は、上記の有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法の発明である。即ち、多孔質膜の細孔内にメソポーラス有機無機ハイブリッド材料の前駆体を充填する工程と、該多孔質膜の細孔内でメソポーラス有機無機ハイブリッド材料を形成する工程と、該メソポーラス有機無機ハイブリッド材料をプロトン化する工程とからなる、ミクロンオーダーの細孔を有する多孔質膜の、該細孔内にメソポーラス有機無機ハイブリッド材料が充填された有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法であって、該メソポーラス有機無機ハイブリッド材料が、中心細孔直径1〜50nmの微細孔を有し、且つ金属原子、該金属原子に結合した酸素原子、並びに該金属原子又は該酸素原子に結合した炭素原子を1以上有する有機基からなる高分子骨格を合成する工程と、該微細孔内において該有機基の一部をイオン交換能を有する官能基に変換する工程とを有することを特徴とする。   2ndly, this invention is invention of the manufacturing method of said organic-inorganic hybrid electrolyte membrane. That is, a step of filling a precursor of a mesoporous organic-inorganic hybrid material in the pores of the porous membrane, a step of forming a mesoporous organic-inorganic hybrid material in the pores of the porous membrane, and the mesoporous organic-inorganic hybrid material A method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane having a micron-order pore, wherein the mesoporous organic-inorganic hybrid material is filled in the pore, the method comprising: The inorganic hybrid material has a fine pore having a central pore diameter of 1 to 50 nm, and has an organic atom having at least one metal atom, an oxygen atom bonded to the metal atom, and one or more carbon atoms bonded to the metal atom or the oxygen atom. A step of synthesizing a polymer skeleton composed of a group, and a functional group having ion exchange ability for a part of the organic group in the micropore Characterized by a step of converting the.

他の有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法は、多孔質膜の細孔内にメソポーラス有機無機ハイブリッド材料を充填する工程と、該メソポーラス有機無機ハイブリッド材料をプロトン化する工程とからなる、ミクロンオーダーの細孔を有する多孔質膜の、該細孔内にメソポーラス有機無機ハイブリッド材料が充填された有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法であって、該メソポーラス有機無機ハイブリッド材料が、中心細孔直径1〜50nmの微細孔を有し、且つ金属原子、該金属原子に結合した酸素原子、並びに該金属原子又は該酸素原子に結合した炭素原子を1以上有する有機基からなる高分子骨格を合成する工程と、該微細孔内において該有機基の一部をイオン交換能を有する官能基に変換する工程とを有することを特徴とする。   Another method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane includes a step of filling a mesoporous organic-inorganic hybrid material into pores of a porous membrane and a step of protonating the mesoporous organic-inorganic hybrid material. A method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane having a pore and a mesoporous organic-inorganic hybrid material filled with a mesoporous organic-inorganic hybrid material, wherein the mesoporous organic-inorganic hybrid material has a central pore diameter of 1 to 50 nm. Synthesizing a polymer skeleton having micropores and comprising a metal atom, an oxygen atom bonded to the metal atom, and an organic group having one or more carbon atoms bonded to the metal atom or the oxygen atom; And a step of converting a part of the organic group into a functional group having ion exchange ability in the micropore.

本発明の有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法において、前記有機無機ハイブリッド材料の骨格としては、炭素原子を1以上有する有機基と、前記有機基中の同一若しくは異なる炭素原子に結合した2以上の金属原子と、前記金属原子に結合した1以上の酸素原子とからなるものが好ましく例示される。   In the method for producing an organic / inorganic hybrid electrolyte membrane of the present invention, the skeleton of the organic / inorganic hybrid material includes an organic group having one or more carbon atoms and two or more metals bonded to the same or different carbon atoms in the organic group. What consists of an atom and one or more oxygen atoms couple | bonded with the said metal atom is illustrated preferably.

前記有機無機ハイブリッド材料の骨格の合成手順としては、下記一般式(2):

Figure 2007242524
(上記式(2)中、Rは炭素原子を1以上有する有機基を表し、Mは金属原子を表す。Rは水素原子、水酸基又は炭化水素基を表す。Aはアルコキシ基またはハロゲン原子を表す。xは金属Mの価数から1を差し引いた整数、nは1以上x以下の整数、mは2以上の整数を表す。なお、Mが結合するRの炭素は同一でも異なっていてもよい。)
で表される少なくとも1種の化合物を、界面活性剤を含む水溶液に加え、酸性またはアルカリ性の条件下に重縮合して得られた、界面活性剤を含むことを特徴とする有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法が好ましく例示される。 As a synthesis procedure of the skeleton of the organic-inorganic hybrid material, the following general formula (2):
Figure 2007242524
(In the above formula (2), R 1 represents an organic group having one or more carbon atoms, M represents a metal atom, R 2 represents a hydrogen atom, a hydroxyl group or a hydrocarbon group. A represents an alkoxy group or a halogen atom. X represents an integer obtained by subtracting 1 from the valence of the metal M, n represents an integer of 1 to x, and m represents an integer of 2. The carbons of R 1 to which M is bonded are the same or different. May be.)
An organic-inorganic hybrid electrolyte membrane comprising a surfactant obtained by polycondensation under acidic or alkaline conditions with at least one compound represented by the formula: The production method is preferably exemplified.

他の前記有機無機ハイブリッド材料の骨格の合成手順としては、下記一般式(2):

Figure 2007242524
(上記式(2)中、Rは炭素原子を1以上有する有機基を表し、Mは金属原子を表す。Rは水素原子、水酸基又は炭化水素基を表す。Aはアルコキシ基またはハロゲン原子を表す。xは金属Mの価数から1を差し引いた整数、nは1以上x以下の整数、mは2以上の整数を表す。なお、Mが結合するRの炭素は同一でも異なっていてもよい。)
で表される少なくとも1種の化合物を、界面活性剤を含む水溶液に加え、酸性またはアルカリ性の条件下に重縮合し、得られた多孔質前駆体から該界面活性剤を除去する方法が好ましく例示される。 As another procedure for synthesizing the skeleton of the organic-inorganic hybrid material, the following general formula (2):
Figure 2007242524
(In the above formula (2), R 1 represents an organic group having one or more carbon atoms, M represents a metal atom, R 2 represents a hydrogen atom, a hydroxyl group or a hydrocarbon group. A represents an alkoxy group or a halogen atom. X represents an integer obtained by subtracting 1 from the valence of the metal M, n represents an integer of 1 to x, and m represents an integer of 2. The carbons of R 1 to which M is bonded are the same or different. May be.)
A method in which at least one compound represented by the formula (1) is added to an aqueous solution containing a surfactant, polycondensed under acidic or alkaline conditions, and the surfactant is removed from the resulting porous precursor is preferably exemplified. Is done.

前記多孔質膜の細孔内にメソポーラス有機無機ハイブリッド材料またはメソポーラス有機無機ハイブリッド材料前駆体を充填する工程において、該メソポーラス有機無機ハイブリッド材料またはメソポーラス有機無機ハイブリッド材料前駆体に対する超音波照射、脱法処理、溶媒置換、界面活性剤の使用、多孔質膜の表面改質から選択される1種以上の手段を用いることをが好ましい。   In the step of filling the mesoporous organic-inorganic hybrid material or the mesoporous organic-inorganic hybrid material precursor in the pores of the porous film, the mesoporous organic-inorganic hybrid material or the mesoporous organic-inorganic hybrid material precursor is irradiated with ultrasonic waves, deprocessed, It is preferable to use one or more means selected from solvent replacement, use of a surfactant, and surface modification of the porous membrane.

有機無機ハイブリッド電解質膜のイオン交換能を有する官能基としては、スルホン酸基、リン酸基及びカルボン酸基からなる群より選ばれる少なくとも1種が好ましく例示される。   The functional group having ion exchange ability of the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane is preferably exemplified by at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a phosphoric acid group and a carboxylic acid group.

本発明の有機無機ハイブリッド電解質膜の主体となる多孔質膜としては、具体的に、ポリイミド(PI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエチレンイミド(PEI)、ポリサルホン(PSF)、ポリフェニルサルホン(PPSU)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、架橋ポリエチレン(CLPE)から選択される1種以上が好ましく例示される。   Specific examples of the porous membrane that is the main component of the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane of the present invention include polyimide (PI), polyetheretherketone (PEEK), polyethyleneimide (PEI), polysulfone (PSF), and polyphenylsulfone. One or more types selected from (PPSU), polyphenylene sulfide (PPS), and crosslinked polyethylene (CLPE) are preferably exemplified.

また、前記多孔質膜として、下記一般式で表されるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)又は共重合成分を10モル%以下含むテトラフルオロエチレン共重合体が好ましく例示される。   Examples of the porous membrane include polytetrafluoroethylene (PTFE) represented by the following general formula or a tetrafluoroethylene copolymer containing 10 mol% or less of a copolymer component.

Figure 2007242524
(式中、Aは下記から選択される1種以上であり、a:b=1:0〜9:1である)
Figure 2007242524
(In the formula, A is one or more selected from the following, and a: b = 1: 0 to 9: 1)

Figure 2007242524
Figure 2007242524

更に、前記多孔質膜として、ポリシロキサンであって、該ポリシロキサン中の有機基が、メチル基、フェニル基、水素基または水酸基のうちから選択される少なくとも1種以上の基であるものが好ましく例示される。   Further, the porous film is preferably polysiloxane, and the organic group in the polysiloxane is at least one group selected from methyl group, phenyl group, hydrogen group or hydroxyl group. Illustrated.

第3に、本発明は、上記有機無機ハイブリッド電解質膜からなる燃料電池用電解質膜の発明である。   3rdly, this invention is invention of the electrolyte membrane for fuel cells which consists of said organic-inorganic hybrid electrolyte membrane.

第4に、本発明は、上記有機無機ハイブリッド電解質膜からなる化学プロセス用フィルムの発明である。   4thly, this invention is invention of the film for chemical processes which consists of said organic-inorganic hybrid electrolyte membrane.

第5に、本発明は、上記有機無機ハイブリッド電解質膜を用いた燃料電池の発明であり、高分子固体電解質膜(a)と、該電解質膜に接合される、触媒金属を担持した導電性担体とプロトン伝導性材料からなる電極触媒を主要構成材料とするガス拡散電極(b)とで構成される膜/電極接合体(MEA)を有する固体高分子型燃料電池において、該高分子固体電解質膜が、上記の有機無機ハイブリッド電解質膜であることを特徴とする。   Fifth, the present invention is an invention of a fuel cell using the above organic-inorganic hybrid electrolyte membrane, and is a polymer solid electrolyte membrane (a) and a conductive carrier carrying a catalyst metal that is joined to the electrolyte membrane. In a polymer electrolyte fuel cell having a membrane / electrode assembly (MEA) composed of a gas diffusion electrode (b) whose main constituent material is an electrode catalyst made of a proton conductive material and the polymer solid electrolyte membrane Is the above-mentioned organic-inorganic hybrid electrolyte membrane.

従来の膜形成できなかった有機無機ハイブリッド材料を、自立性の電解質膜とすることが可能となった上に、本発明の有機無機ハイブリッド電解質膜を燃料電池に用いることで、機械的強度に優れ、耐久性が向上した、化学的安定性に優れ、併せてプロトン伝導性に優れ、製造が容易で低コストであり、高温作動性に優れた燃料電池を得ることが出来る。   An organic / inorganic hybrid material that could not be formed by a conventional film can be used as a self-supporting electrolyte membrane, and the organic / inorganic hybrid electrolyte membrane of the present invention can be used for a fuel cell, resulting in excellent mechanical strength. In addition, a fuel cell having improved durability, excellent chemical stability, excellent proton conductivity, easy manufacturing, low cost, and excellent high-temperature operability can be obtained.

従来得られているメソポーラス細孔を有する有機無機ハイブリッド膜は、骨格構造が硬く、柔軟性に乏しいため、単独で自立造が保持できず、コート膜としてのみ利用できなかった。例えば有機シランを原料にして、従来のゾルーゲル合成方法で得る自立膜の構造は−O−Si−O結合が3次元網の目に構成され、その結果として、非常に剛直な硬化物が得られる。有機無機ハイブリッドメソ多孔体の利用範囲を広げるためには、コート膜だけでなく、自立膜として利用できることが望ましい。そこで、本発明では自立膜の原料である有機無機ハイブリッド材料のモノマーあるいはポリマーを用い、さらに多孔質補強膜中の細孔内にこれら原料モノマーあるいはポリマーを充填させることにより(細孔フィリィング法)、メソ構造(メソポーラス構造あるいはメソポーラス内に界面活性剤を含んでいても構わない)を有する柔軟性のある硬化物が得られる。   Conventionally obtained organic-inorganic hybrid membranes having mesoporous pores have a hard skeletal structure and poor flexibility, and thus cannot stand by themselves and cannot be used only as a coating membrane. For example, the structure of a free-standing film obtained from an organic silane as a raw material by a conventional sol-gel synthesis method is such that —O—Si—O bonds are formed in a three-dimensional network, and as a result, a very rigid cured product is obtained. . In order to expand the use range of the organic-inorganic hybrid mesoporous material, it is desirable that it can be used not only as a coating film but also as a self-supporting film. Therefore, in the present invention, by using a monomer or polymer of an organic-inorganic hybrid material that is a raw material of the self-supporting membrane, and further by filling the raw material monomer or polymer into the pores in the porous reinforcing membrane (pore filling method), A flexible cured product having a mesostructure (a mesoporous structure or a surfactant may be contained in the mesoporous) is obtained.

これにより、本発明の有機無機ハイブリッド電解質膜が奏する作用・効果は以下の通りである。
(1)単独では膜として形を為さないメソポーラス有機無機ハイブリッド材料を膜化させることができる。
(2)メソポーラス有機無機ハイブリッド材料の自立膜化により、従来よりも低加湿で作動できるプロトン伝導性を有する電解質膜の形成が可能になる。
(3)メソポーラス有機無機ハイブリッド材料の微細孔内に界面活性剤を保持させた自立膜により、従来よりも低加湿度で作動できるプロトン伝導性を有する電解質膜の形成が可能となる。
(4)メソポーラス有機無機ハイブリッド材料の自立膜化により、分離機能と触媒機能を併せ持つ化学プロセス用フィルムの形成が可能になる。
(5)メソポーラス骨格として、有機基が導入されたSi源、あるいは架橋型の有機基を有するSi源を用いることにより細孔表面の機能化が可能となる。
Thereby, the operations and effects of the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane of the present invention are as follows.
(1) A mesoporous organic-inorganic hybrid material that does not form itself as a film can be formed into a film.
(2) By forming a mesoporous organic-inorganic hybrid material as a self-supporting membrane, it is possible to form an electrolyte membrane having proton conductivity that can be operated with lower humidification than before.
(3) The self-supporting membrane in which the surfactant is held in the micropores of the mesoporous organic-inorganic hybrid material makes it possible to form an electrolyte membrane having proton conductivity that can be operated at a lower humidity than in the past.
(4) By forming a mesoporous organic-inorganic hybrid material as a self-supporting film, it is possible to form a film for a chemical process having both a separation function and a catalytic function.
(5) The pore surface can be functionalized by using, as the mesoporous skeleton, a Si source into which an organic group has been introduced or a Si source having a crosslinked organic group.

本発明で用いられる多孔質膜としては、高分子多孔質膜が望ましい。具体的には、ポリイミド(PI)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルイミド(PEI)、PAI、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、PPSU、PAR、PBI、PA、ポリフェニレンエーテル(PPO)、ポリカーボネート(PC)、PP、ポリエーテルスルホン(PES)、PVDC、PSF、PAN、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレン(PE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、PVDF等の材料が使用可能である。   As the porous membrane used in the present invention, a polymer porous membrane is desirable. Specifically, polyimide (PI), polyether ketone ketone (PEKK), polyether ether ketone (PEEK), polyether imide (PEI), PAI, polyphenylene sulfide (PPS), PPSU, PAR, PBI, PA, polyphenylene Ether (PPO), polycarbonate (PC), PP, polyethersulfone (PES), PVDC, PSF, PAN, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), high density polyethylene (HDPE), polytetrafluoroethylene (PTFE) A material such as PVDF can be used.

更に、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などのメタクリレート系樹脂;ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体(AS樹脂)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ABS樹脂)などのスチレン系樹脂;ポリアミド;ポリアミドイミド;ポリエステルイミド;ポリアセタール;ポリアリレート;ポリアリール;ポリスルホン;ポリウレタン類;ポリエーテルケトン類;ポリアクリル酸ブチル、ポリアクリル酸エチルなどのポリアクリル酸エステル類;ポリブトオキシメチレンなどのポリビニルエステル類;ポリシロキサン類;ポリサルファイド類;ポリフォスファゼン類;ポリトリアジン類;ポリカーボラン類;ポリノルボルネン;エポキシ系樹脂;ポリビニルアルコール;ポリビニルピロリドン;ポリイソプレンやポリブタジエンなどのポリジエン類;ポリイソブチレンなどのポリアルケン類;フッ化ビニリデン系樹脂、ヘキサフルオロプロピレン系樹脂、ヘキサフルオロアセトン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂などのフッ素系樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体などのポリオレフィン樹脂などの樹脂の多孔質体が挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Further, methacrylate resins such as polymethyl methacrylate (PMMA); styrene resins such as polystyrene, acrylonitrile-styrene copolymer (AS resin), acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS resin); polyamide; polyamideimide; Polyacetals; Polyarylates; Polyaryls; Polysulfones; Polyurethanes; Polyetherketones; Polyacrylates such as polybutyl acrylate and polyethyl acrylate; Polyvinyl esters such as polybutoxymethylene; Polysiloxanes Polysulfides; polyphosphazenes; polytriazines; polycarboranes; polynorbornene; epoxy resins; polyvinyl alcohol; polyvinylpyrrolidone; Polydienes such as polypropylene and polybutadiene; Polyalkenes such as polyisobutylene; Fluorine resins such as vinylidene fluoride resin, hexafluoropropylene resin, hexafluoroacetone resin, polytetrafluoroethylene resin; polyethylene, polypropylene, ethylene- A porous body of a resin such as a polyolefin resin such as a propylene copolymer may be mentioned, but is not limited thereto.

上記の高分子材料に細孔を開ける技術は特に限定されず、延伸法、溶液流延法、化学処理によるエッチング法、レーザ光照射法など種々の方法を用いることが可能である。   The technique for opening pores in the above polymer material is not particularly limited, and various methods such as a stretching method, a solution casting method, an etching method by chemical treatment, and a laser beam irradiation method can be used.

以下、本発明の有機無機ハイブリッド電解質膜において電解質部分を構成するメソポーラス有機無機ハイブリッド材料について具体的に説明する。   Hereinafter, the mesoporous organic-inorganic hybrid material constituting the electrolyte portion in the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane of the present invention will be specifically described.

本発明において用いられる有機無機ハイブリッド材料は、中心細孔直径1〜50nmの細孔を有し、且つ、金属原子、前記金属原子に結合した酸素原子、並びに前記金属原子又は前記酸素原子に結合した炭素原子を1以上有する有機基からなる骨格と、前記細孔内において前記有機基と結合したイオン交換能を有する官能基とを有するものである。   The organic-inorganic hybrid material used in the present invention has a pore having a central pore diameter of 1 to 50 nm, and is bonded to a metal atom, an oxygen atom bonded to the metal atom, and the metal atom or the oxygen atom. It has a skeleton composed of an organic group having one or more carbon atoms and a functional group having an ion exchange ability bonded to the organic group in the pores.

本発明において用いられる有機無機ハイブリッド材料において、細孔の中心細孔直径は、前述の通り1〜50nmであり、好ましくは1〜30nmであり、より好ましくは1〜10nmである。細孔の中心細孔直径が50nmを超えると、毛管凝縮現象が発現しにくくなり、雰囲気中の電解質液の相対圧力が1.0未満である場合に細孔内を電解質液で十分に満たすことができなくなる。また、一般に、細孔の中心細孔直径の減少に伴い毛管凝縮現象が発現しやすくなるが、中心細孔直径が1nm未満であると、電解質液が液体ではなく固体に近い状態となり、十分なイオン伝導性が発現しにくくなる。なお、毛管現象が起こる相対圧力(p/p)と細孔直径(D)との関係は下記式(ケルビン式):
ln(p/p)=−(2γVcosθ)/{(D/2)RT}
(式中、γは凝集液体の表面張力を表し、Vは凝集液体のモル分子容積を表し、θは細孔壁と凝集液体との接触角を表し、Rは気体定数を表し、Tは絶対温度を表す)
で表すことができる。上記式から、細孔直径が小さいほど毛管現象が起こる相対圧力が低くなることが分かる。
In the organic-inorganic hybrid material used in the present invention, the center pore diameter of the pores is 1 to 50 nm as described above, preferably 1 to 30 nm, more preferably 1 to 10 nm. When the central pore diameter of the pores exceeds 50 nm, the capillary condensation phenomenon becomes difficult to occur, and when the relative pressure of the electrolyte solution in the atmosphere is less than 1.0, the pores are sufficiently filled with the electrolyte solution. Can not be. In general, the capillary condensation phenomenon is likely to occur with a decrease in the center pore diameter of the pores. However, if the center pore diameter is less than 1 nm, the electrolyte solution becomes not a liquid but a solid state, which is sufficient. Ion conductivity becomes difficult to express. The relationship between the relative pressure (p / p 0 ) at which capillary action occurs and the pore diameter (D) is the following formula (Kelvin formula):
ln (p / p 0 ) = − (2γV L cos θ) / {(D / 2) RT}
(Wherein γ represents the surface tension of the flocculated liquid, V L represents the molar molecular volume of the flocculated liquid, θ represents the contact angle between the pore wall and the flocculated liquid, R represents the gas constant, and T is (Represents absolute temperature)
It can be expressed as From the above equation, it can be seen that the smaller the pore diameter, the lower the relative pressure at which capillary action occurs.

なお、ここでいう中心細孔直径とは、細孔容積(V)を細孔直径(D)で微分した値(dV/dD)を細孔直径(D)に対してプロットした曲線(細孔径分布曲線)の最大ピークにおける細孔直径である。なお、細孔径分布曲線は、次に述べる方法により求めることができる。すなわち、有機無機複合材料を液体窒素温度(−196℃)に冷却して窒素ガスを導入し、定容量法あるいは重量法によりその吸着量を求め、次いで、導入する窒素ガスの圧力を徐々に増加させ、各平衡圧に対する窒素ガスの吸着量をプロットし、吸着等温線を得る。この吸着等温線を用い、Cranston−Inklay法、Pollmore−Heal法、BJH法等の計算法により細孔径分布曲線を求めることができる。   The central pore diameter here is a curve (pore diameter) in which the value (dV / dD) obtained by differentiating the pore volume (V) with respect to the pore diameter (D) is plotted against the pore diameter (D). It is the pore diameter at the maximum peak of the distribution curve. The pore size distribution curve can be obtained by the method described below. That is, the organic-inorganic composite material is cooled to liquid nitrogen temperature (-196 ° C.), nitrogen gas is introduced, the adsorption amount is obtained by the constant volume method or the gravimetric method, and then the pressure of the introduced nitrogen gas is gradually increased. Then, the adsorption amount of nitrogen gas with respect to each equilibrium pressure is plotted, and an adsorption isotherm is obtained. Using this adsorption isotherm, a pore size distribution curve can be obtained by a calculation method such as Cranston-Inklay method, Pollmore-Heal method, BJH method.

本発明において用いられる有機無機ハイブリッド材料は、細孔径分布曲線における中心細孔直径の±40%の範囲に全細孔容積の60%以上が含まれることが好ましい。ここで、「細孔径分布曲線における最大ピークを示す細孔直径の±40%の範囲に全細孔容積の60%以上が含まれる」とは、例えば、中心細孔直径が3.00nmである場合、この3.00nmの±40%、すなわち1.80〜4.20nmの範囲にある細孔の容積の合計が、全細孔容積の60%以上を占めていることを意味する。この条件を満たす有機無機ハイブリッド材料は、細孔の直径が非常に均一であることを意味する。   The organic-inorganic hybrid material used in the present invention preferably contains 60% or more of the total pore volume in the range of ± 40% of the central pore diameter in the pore diameter distribution curve. Here, “60% or more of the total pore volume is included in the range of ± 40% of the pore diameter showing the maximum peak in the pore diameter distribution curve” means that the central pore diameter is 3.00 nm, for example. In this case, it means that the total volume of pores in the range of ± 40% of 3.00 nm, that is, 1.80 to 4.20 nm occupies 60% or more of the total pore volume. An organic-inorganic hybrid material that satisfies this condition means that the pore diameter is very uniform.

また、本発明において用いられる有機無機ハイブリッド材料の比表面積については特に制限はないが、700m/g以上であることが好ましい。比表面積は、吸着等温線からBET等温吸着式を用いてBET比表面積として算出することができる。 Moreover, there is no restriction | limiting in particular about the specific surface area of the organic inorganic hybrid material used in this invention, However, It is preferable that it is 700 m < 2 > / g or more. The specific surface area can be calculated as a BET specific surface area from the adsorption isotherm using the BET isotherm adsorption equation.

さらに、本発明において用いられる有機無機ハイブリッド材料は、そのX線回折パターンにおいて1nm以上のd値に相当する回折角度に1本以上のピークを有することが好ましい。X線回折ピークはそのピーク角度に相当するd値の周期構造が試料中にあることを意味する。したがって、1nm以上のd値に相当する回折角度に1本以上のピークがあることは、細孔が1nm以上の間隔で規則的に配列していることを意味する。   Furthermore, the organic-inorganic hybrid material used in the present invention preferably has one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more in the X-ray diffraction pattern. The X-ray diffraction peak means that a periodic structure having a d value corresponding to the peak angle is present in the sample. Therefore, having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more means that the pores are regularly arranged at intervals of 1 nm or more.

本発明において用いられる有機無機ハイブリッド材料が有する細孔は、粒子の表面のみならず内部にも形成される。この細孔の形状は特に制限はないが、例えば、トンネル状に貫通したものであってもよく、また、球状もしくは多角形状の空洞が互いに連結したような形状を有していてもよい。   The pores of the organic-inorganic hybrid material used in the present invention are formed not only on the surface of the particles but also inside. The shape of the pores is not particularly limited, but may be, for example, one that penetrates in a tunnel shape, or may have a shape in which spherical or polygonal cavities are connected to each other.

本発明において用いられる有機無機ハイブリッド材料は、前述の通り、金属原子、前記金属原子に結合した酸素原子、並びに前記金属原子又は前記酸素原子に結合した炭素原子を1以上有する有機基からなる骨格を有するものである。このような骨格としては、例えば下記の骨格(a)、(b):
(a)炭素原子を1以上有する有機基と、前記有機基中の同一若しくは異なる炭素原子に結合した2以上の金属原子と、前記金属原子に結合した1以上の酸素原子とからなる骨格(以下、「有機無機ハイブリッド系骨格」という);
(b)金属原子と金属原子に結合した酸素原子とからなる無機系骨格において、金属原子又は酸素原子に炭素原子を1以上有する有機基が結合した骨格(以下、「表面修飾型有機無機ハイブリッド骨格」という)、
が挙げられる。
As described above, the organic-inorganic hybrid material used in the present invention has a skeleton composed of a metal atom, an oxygen atom bonded to the metal atom, and an organic group having one or more carbon atoms bonded to the metal atom or the oxygen atom. It is what you have. Examples of such a skeleton include the following skeletons (a) and (b):
(A) a skeleton (hereinafter referred to as an organic group having one or more carbon atoms, two or more metal atoms bonded to the same or different carbon atoms in the organic group, and one or more oxygen atoms bonded to the metal atoms) , “Organic inorganic hybrid skeleton”);
(B) In an inorganic skeleton composed of a metal atom and an oxygen atom bonded to the metal atom, a skeleton in which an organic group having one or more carbon atoms is bonded to the metal atom or the oxygen atom (hereinafter referred to as “surface-modified organic-inorganic hybrid skeleton” ")
Is mentioned.

(a)有機無機ハイブリッド系骨格における有機基は、2以上の金属原子と結合するために2価以上の価数を有することが必要である。このような有機基としては、例えば、アルカン、アルケン、アルキン、ベンゼン、シクロアルカン等の炭化水素から2以上の水素原子が脱離して生じる2価以上の有機基が挙げられる。なお、本発明にかかる有機無機ハイブリッド系骨格は、上記の有機基を1種のみ含むものであっても、2種以上含むものであってもよい。   (A) The organic group in the organic-inorganic hybrid skeleton needs to have a valence of 2 or more in order to bond to 2 or more metal atoms. Examples of such an organic group include divalent or higher valent organic groups generated by elimination of two or more hydrogen atoms from hydrocarbons such as alkanes, alkenes, alkynes, benzenes, and cycloalkanes. In addition, the organic-inorganic hybrid skeleton according to the present invention may contain only one kind of the above organic group or may contain two or more kinds.

本発明においては、適度な架橋度の有機無機ハイブリッド材料が得られることから、有機基の価数は2価であることが好ましい。2価の有機基としては、メチレン基(−CH−)、エチレン基(−CHCH−)、トリメチレン基(−CHCHCH−)、テトラメチレン基(−CHCHCHCH−)、1,2−ブチレン基(−CH(C)CH−)、1,3−ブチレン基(−CH(CH)CHCH−)、フェニレン基(−C−)、ジエチルフェニレン基(−C−C−C−)、ビニレン基(−CH=CH−)、プロペニレン基(−CH−CH=CH−)、ブテニレン基(−CH−CH=CH−CH−)、アミド基(−CO−NH−)、ジメチルアミノ基(−CH−NH−CH−)、トリメチルアミン基(−CH−N(CH)−CH−)等が挙げられるが、これらの中でも、結晶性の高い多孔質粒子を得ることが可能であることから、メチレン基、エチレン基、フェニレン基が好ましい。 In the present invention, since an organic-inorganic hybrid material having an appropriate degree of crosslinking can be obtained, the valence of the organic group is preferably divalent. Examples of the divalent organic group include a methylene group (—CH 2 —), an ethylene group (—CH 2 CH 2 —), a trimethylene group (—CH 2 CH 2 CH 2 —), and a tetramethylene group (—CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 —), 1,2-butylene group (—CH (C 2 H 5 ) CH—), 1,3-butylene group (—CH (CH 3 ) CH 2 CH 2 —), phenylene group (— C 6 H 4 -), diethyl phenylene group (-C 2 H 4 -C 6 H 4 -C 2 H 4 -), vinylene group (-CH = CH-), the propenylene group (-CH 2 -CH = CH 2 -), butenylene (-CH 2 -CH = CH-CH 2 -), amide group (-CO-NH-), dimethylamino group (-CH 2 -NH-CH 2 -), trimethylamine group (-CH 2 -N (CH 3) -CH 2 - ) and the like Among these, a methylene group, an ethylene group, and a phenylene group are preferable because porous particles having high crystallinity can be obtained.

上記の有機基における同一もしくは異なる炭素原子には2以上の金属原子が結合するが、この金属原子の種類は特に制限されず、例えば、ケイ素、アルミニウム、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、モリブデン、コバルト、ニッケル、ガリウム、ベリリウム、イットリウム、ランタン、ハフニウム、スズ、鉛、バナジウム、ホウ素が挙げられる。中でも、有機基及び酸素との結合性が良好なことから、ケイ素、アルミニウム、チタンが好ましい。なお、上記の金属原子は有機基と結合するとともに酸素原子と結合して酸化物を形成するが、この酸化物は2種以上の金属原子からなる複合酸化物であってもよい。   Two or more metal atoms are bonded to the same or different carbon atoms in the above organic group, but the type of the metal atom is not particularly limited. For example, silicon, aluminum, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, molybdenum , Cobalt, nickel, gallium, beryllium, yttrium, lanthanum, hafnium, tin, lead, vanadium, and boron. Of these, silicon, aluminum, and titanium are preferable because of their good bondability with organic groups and oxygen. In addition, although said metal atom couple | bonds with an organic group and couple | bonds with an oxygen atom, an oxide is formed, This oxide may be complex oxide which consists of 2 or more types of metal atoms.

有機無機ハイブリッド系骨格は、上述の有機基、金属原子及び酸素原子の結合により形成されるものであるが、この結合の種類は限定されず、例えば、共有結合、イオン結合が挙げられる。また、有機基に結合する金属原子の数や金属原子に結合する酸素原子の数によって、異なった骨格(直鎖状、梯子状、網目状、分岐状等)の有機無機複合材料が生じる。   The organic-inorganic hybrid skeleton is formed by the above-described organic group, metal atom, and oxygen atom bond, but the type of bond is not limited, and examples thereof include a covalent bond and an ionic bond. Further, organic-inorganic composite materials having different skeletons (straight, ladder, network, branched, etc.) are generated depending on the number of metal atoms bonded to the organic group and the number of oxygen atoms bonded to the metal atom.

有機無機ハイブリッド系骨格において、有機基は2以上の金属原子と結合しその金属原子は1以上の酸素原子と結合するため、有機基は金属酸化物の骨格中に取り込まれる。この結果、本発明にかかる有機無機複合材料は有機/無機の両方の表面特性を示すようになる。   In the organic-inorganic hybrid skeleton, the organic group is bonded to two or more metal atoms, and the metal atom is bonded to one or more oxygen atoms. Therefore, the organic group is incorporated into the skeleton of the metal oxide. As a result, the organic-inorganic composite material according to the present invention exhibits both organic / inorganic surface characteristics.

このような有機無機ハイブリッド骨格の中でも、下記一般式(1):

Figure 2007242524
で表される構成単位の少なくとも1種からなるものが好ましい。 Among such organic-inorganic hybrid skeletons, the following general formula (1):
Figure 2007242524
What consists of at least 1 type of the structural unit represented by these is preferable.

上記式(1)中、Rは炭素原子を1以上有する有機基を表し、Mは金属原子を表す。R及びMの具体例としては、それぞれ上記の有機基及び金属原子の説明において例示された基又は原子が挙げられる。 In the above formula (1), R 1 represents an organic group having one or more carbon atoms, and M represents a metal atom. Specific examples of R 1 and M include the groups and atoms exemplified in the above description of the organic group and metal atom.

上記式(1)中、Rは水素原子、水酸基又は炭化水素基を表す。Rが炭化水素基である場合その種類に制限はないが、Rとしては、例えば、炭素数が1〜10のアルキル基、炭素数が1〜10のアルケニル基、フェニル基、置換フェニル基等が挙げられる。 In the above formula (1), R 2 represents a hydrogen atom, a hydroxyl group or a hydrocarbon group. When R 2 is a hydrocarbon group, the type thereof is not limited. Examples of R 2 include an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkenyl group having 1 to 10 carbon atoms, a phenyl group, and a substituted phenyl group. Etc.

上記一般式(1)におけるxは金属Mの価数から1を差し引いた整数、nは1以上x以下の整数、mは2以上の整数を表す。なお、Mが結合するR1の炭素は同一でも異なっていてもよい。また、−O1/2−は、これらが2つ結合することにより−O−となる基を表す。 In the general formula (1), x represents an integer obtained by subtracting 1 from the valence of the metal M, n represents an integer of 1 to x, and m represents an integer of 2 or more. The carbons of R1 to which M is bonded may be the same or different. -O 1/ 2-represents a group which becomes -O- by bonding two of them.

上記一般式(1)において、R、M、R、n、mが、それぞれエチレン基、ケイ素原子、メチル基、1、2である場合は、一般式(1)は下記化学式(3):

Figure 2007242524
で表され、上記化学式(3)の構成単位が2個連結した骨格は下記化学式(4): In the general formula (1), when R 1 , M, R 2 , n, and m are an ethylene group, a silicon atom, a methyl group, and 1, 2, respectively, the general formula (1) is represented by the following chemical formula (3). :
Figure 2007242524
And a skeleton in which two structural units of the chemical formula (3) are linked is represented by the following chemical formula (4):

Figure 2007242524
で表される。
Figure 2007242524
It is represented by

また、上記一般式(1)において、R、M、n、mが、それぞれエチレン基、ケイ素原子、3、2である場合は、一般式(1)は下記化学式(5): In the general formula (1), when R 1 , M, n, and m are an ethylene group, a silicon atom, and 3, 2, respectively, the general formula (1) is represented by the following chemical formula (5):

Figure 2007242524
で表され、上記化学式(5)の構成単位が複数個連結すると網状構造を形成する。下記化学式(6):
Figure 2007242524
When a plurality of structural units of the chemical formula (5) are connected, a network structure is formed. The following chemical formula (6):

Figure 2007242524
はその網状構造の一例として上記化学式(5)の構成単位の4個が連結した場合示すものである。
Figure 2007242524
Shows an example of the network structure when four of the structural units of the chemical formula (5) are linked.

本発明において用いられる有機無機ハイブリッド系骨格は、上記一般式(1)において、R、M、R、n、mが異なる複数種の構成単位からなるものであってもよく、例えば、上記化学式(3)で表される構成単位と上記化学式(5)で表される構成単位とからなるものであってもよい。また、本発明にかかる有機無機複合材料が有機無機ハイブリッド系骨格として上記一般式(1)で表される構成単位を有する場合、その構成単位以外に、例えば、Si−(O1/2−、Ti−(O1/2−等の構成単位を有していてもよい。 The organic-inorganic hybrid skeleton used in the present invention may be composed of a plurality of structural units having different R 1 , M, R 2 , n, and m in the general formula (1). It may consist of a structural unit represented by the chemical formula (3) and a structural unit represented by the chemical formula (5). In addition, when the organic-inorganic composite material according to the present invention has a structural unit represented by the general formula (1) as an organic-inorganic hybrid skeleton, other than the structural unit, for example, Si— (O 1/2 ) 4 -, Ti- (O 1/2) 4 - may have a constitutional unit, and the like.

有機無機ハイブリッド系骨格を有する有機無機複合材料は、例えば、下記一般式(2):

Figure 2007242524
で表される化合物の少なくとも1種類を重縮合することにより得ることができる。 An organic-inorganic hybrid material having an organic-inorganic hybrid skeleton is, for example, the following general formula (2):
Figure 2007242524
It can obtain by carrying out the polycondensation of at least 1 type of the compound represented by these.

ここで、R、M及びRはそれぞれ上記一般式(1)におけるR、M、Rと同一である。また、Aは、アルコキシル基又はハロゲン原子を表し、xは金属Mの価数から1を差し引いた整数、nは1以上x以下の整数、mは1以上の整数を表す。なお、Mが結合するR1の炭素は同一でも異なっていてもよい。 Wherein, R 1, M and R 2 is R 1, M, is the same as R 2 in each of the above general formula (1). A represents an alkoxyl group or a halogen atom, x represents an integer obtained by subtracting 1 from the valence of the metal M, n represents an integer of 1 to x, and m represents an integer of 1 or more. The carbons of R1 to which M is bonded may be the same or different.

上記一般式(2)のAがアルコキシル基である場合、そのアルコキシル基中の酸素に結合した炭化水素基の種類は特に制限されず、例えば、鎖式、環式、脂環式の炭化水素を挙げることができる。この炭化水素基は、好ましくは炭素数1〜5の鎖式アルキル基であり、より好ましくは、メチル基またはエチル基である。
また、上記一般式(6)のAがハロゲン原子である場合、その種類も特に制限されず、例えば、塩素原子、臭素原子、フッ素原子、ヨウ素原子を挙げることができるが、これらの中でも、塩素及び臭素が好ましい。
When A in the general formula (2) is an alkoxyl group, the type of hydrocarbon group bonded to oxygen in the alkoxyl group is not particularly limited. For example, chain, cyclic, and alicyclic hydrocarbons may be used. Can be mentioned. This hydrocarbon group is preferably a chain alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and more preferably a methyl group or an ethyl group.
In addition, when A in the general formula (6) is a halogen atom, the type thereof is not particularly limited, and examples thereof include a chlorine atom, a bromine atom, a fluorine atom, and an iodine atom. And bromine are preferred.

上記一般式(2)において、R、M、A、n、mがそれぞれ、エチレン基、ケイ素、メトキシ基、3、2である場合は、一般式(2)で表される化合物は、(CHO)Si−CH−CH−Si(OCHで表される1,2−ビス(トリメトキシシリル)エタンとなる。 In the general formula (2), when R 1 , M, A, n, and m are ethylene group, silicon, methoxy group, 3, and 2, respectively, the compound represented by the general formula (2) is ( It becomes 1,2-bis (trimethoxysilyl) ethane represented by CH 3 O) 3 Si—CH 2 —CH 2 —Si (OCH 3 ) 3 .

また、上記一般式(2)において、R、M、A、n、mがそれぞれ、エチレン基、ケイ素、塩素、3、2である場合は、一般式(2)で表される化合物は、ClSi−CH−CH−SiClで表される1,2−ビス(トリクロロシリル)エタンとなる。 In the general formula (2), when R 1 , M, A, n, and m are each an ethylene group, silicon, chlorine, 3, 2, the compound represented by the general formula (2) is: It becomes 1,2-bis (trichlorosilyl) ethane represented by Cl 3 Si—CH 2 —CH 2 —SiCl 3 .

本発明においては、一般式(2)で表される化合物に、アルコキシシラン、チタニウムアルコキシド、アルミニウムアルコキシド等を加えて重縮合してもよい。   In the present invention, alkoxysilane, titanium alkoxide, aluminum alkoxide or the like may be added to the compound represented by the general formula (2) for polycondensation.

アルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン等を用いることができる。また、アミノ基、カルボキシル基、メルカプト基、エポキシ基等の官能基を有するアルコキシシランを用いることもできる。   As the alkoxysilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, or the like can be used. In addition, alkoxysilane having a functional group such as an amino group, a carboxyl group, a mercapto group, or an epoxy group can also be used.

チタニウムアルコキシドとしては、例えば、チタニウムブトキシド、チタニウムイソプロポキシド、チタニウムエトキシドを用いることができ、アルミニウムアルコキシドとしては、例えば、アルミニウムイソプロポキシドを用いることができる。また、塩素化ケイ素(SiCl)を始めとする各種ハロゲン化金属も用いることができる。 As the titanium alkoxide, for example, titanium butoxide, titanium isopropoxide, and titanium ethoxide can be used. As the aluminum alkoxide, for example, aluminum isopropoxide can be used. Various metal halides such as chlorinated silicon (SiCl 4 ) can also be used.

また、上記一般式(2)で表される化合物やアルコキシシラン等に、擬ベーマイト、アルミン酸ソーダ、硫酸アルミニウム、ジアルコキシアルミノトリアルコキシシラン等を加えて反応させることにより、SiO−Alの骨格を導入することができる。また、硫酸バナジル(VOSO)、ホウ酸(HBO)、塩化マンガン(MnCl)等を加えて反応させることにより、V、B、Mnを骨格に導入することができる。 Further, by adding pseudoboehmite, sodium aluminate, aluminum sulfate, dialkoxyaluminotrialkoxysilane and the like to the compound represented by the above general formula (2), alkoxysilane, and the like, and reacting them, SiO 2 —Al 2 O Three skeletons can be introduced. Further, V, B, and Mn can be introduced into the skeleton by adding vanadyl sulfate (VOSO 4 ), boric acid (H 3 BO 3 ), manganese chloride (MnCl 2 ), and the like to cause a reaction.

有機無機ハイブリッド系骨格を有する有機無機複合材料を製造する際には、上記一般式(2)で表される化合物を、界面活性剤を含む水溶液に加え酸性もしくはアルカリ性条件下で重縮合することが好ましい。   When producing an organic-inorganic composite material having an organic-inorganic hybrid skeleton, the compound represented by the general formula (2) may be added to an aqueous solution containing a surfactant and polycondensed under acidic or alkaline conditions. preferable.

界面活性剤としては、陽イオン性、陰イオン性、非イオン性のいずれの界面活性剤も使用することができる。このような界面活性剤としては、例えば、アルキルトリメチルアンモニウム[C2n+1N(CH]、アルキルアンモニウム、ジアルキルジメチルアンモニウム、ベンジルアンモニウムの塩化物、臭化物、ヨウ化物あるいは水酸化物等の他、脂肪酸塩、アルキルスルホン酸塩、アルキルリン酸塩、ポリエチレンオキサイド系非イオン性界面活性剤、一級アルキルアミン等が挙げられる。 As the surfactant, any of cationic, anionic and nonionic surfactants can be used. Such surfactants, such as alkyl trimethyl ammonium [C n H 2n + 1 N (CH 3) 3], alkylammonium, dialkyldimethylammonium chloride benzyl ammonium bromide, such as iodide or hydroxide Other examples include fatty acid salts, alkyl sulfonates, alkyl phosphates, polyethylene oxide nonionic surfactants, primary alkyl amines, and the like.

アルキルトリメチルアンモニウム[C2n+1N(CH]としてはアルキル基の炭素数が8〜18のものを用いることが好ましい。 As alkyltrimethylammonium [C n H 2n + 1 N (CH 3 ) 3 ], it is preferable to use an alkyl group having 8 to 18 carbon atoms.

非イオン性界面活性剤としては、疎水性成分として炭化水素基を有し、親水性成分としてポリエチレンオキサイド鎖を有するポリエチレンオキサイド系非イオン性界面活性剤が挙げられる。このような界面活性剤としては、例えば、C1633(OCHCHOH、C1225(OCHCHOH、C1633(OCHCH10OH、C1633(OCHCH20OH、C1837(OCHCH10OH、C1835(OCHCH10OH、C1225(OCHCH23OH等が挙げられる。 Examples of the nonionic surfactant include a polyethylene oxide nonionic surfactant having a hydrocarbon group as a hydrophobic component and a polyethylene oxide chain as a hydrophilic component. Examples of such a surfactant include C 16 H 33 (OCH 2 CH 2 ) 2 OH, C 12 H 25 (OCH 2 CH 2 ) 4 OH, C 16 H 33 (OCH 2 CH 2 ) 10 OH, C 16 H 33 (OCH 2 CH 2 ) 20 OH, C 18 H 37 (OCH 2 CH 2 ) 10 OH, C 18 H 35 (OCH 2 CH 2 ) 10 OH, C 12 H 25 (OCH 2 CH 2 ) 23 OH etc. are mentioned.

また、ソルビタン脂肪酸エステル成分とポリエチレンオキサイド成分を有した界面活性剤を使用することもできる。このような界面活性剤としては、TritonX−100(アルドリッチ)、ポリエチレンオキサイド(20)ソルビタンモノラウリレート(Tween20、アルドリッチ)、ポリエチレンオキサイド(20)ソルビタンモノパルミテート(Tween40)、ポリエチレンオキサイド(20)ソルビタンモノステアレート、ポリエチレンオキサイド(20)ソルビタンモノオリエート(Tween60)、ソルビタンモノパルミテート(Span40)等が挙げられる。   A surfactant having a sorbitan fatty acid ester component and a polyethylene oxide component can also be used. As such surfactants, Triton X-100 (Aldrich), polyethylene oxide (20) sorbitan monolaurate (Tween 20, Aldrich), polyethylene oxide (20) sorbitan monopalmitate (Tween 40), polyethylene oxide (20) sorbitan Examples thereof include monostearate, polyethylene oxide (20) sorbitan monooriate (Tween 60), sorbitan monopalmitate (Span 40), and the like.

また、界面活性剤としては、3つのポリアルキレンオキサイド鎖からなるトリブロックコポリマーも用いることができる。中でも、ポリエチレンオキサイド(EO)鎖−ポリプロピレンオキサイド(PO)鎖−ポリエチレンオキサイド(EO)鎖で表されるトリブロックコポリマーが好ましい。EO鎖の繰り返し数がx、PO鎖の繰り返し数がyである時、このトリブロックコポリマーは(EO)(PO)(EO)として表すことができる。本発明において用いられるトリブロックコポリマーの、x、yには特に制限はないが、xは5〜110、yは15〜70であることが好ましく、xは15〜20、yは50〜60であることがより好ましい。 As the surfactant, a triblock copolymer comprising three polyalkylene oxide chains can also be used. Among these, a triblock copolymer represented by a polyethylene oxide (EO) chain-polypropylene oxide (PO) chain-polyethylene oxide (EO) chain is preferable. When the number of EO chain repeats is x and the number of PO chain repeats is y, this triblock copolymer can be represented as (EO) x (PO) y (EO) x . The x and y of the triblock copolymer used in the present invention are not particularly limited, but x is preferably 5 to 110, y is preferably 15 to 70, x is 15 to 20, and y is 50 to 60. More preferably.

さらに、界面活性剤として、ポリプロピレンオキサイド(PO)鎖−ポリエチレンオキサイド(EO)鎖−ポリプロピレンオキサイド(PO)鎖のトリブロックコポリマー((PO)(EO)(PO))も好ましく使用できる。ここで、x、yには特に制限はないが、xは5〜110、yは15〜70であることが好ましく、xは15〜20、yは50〜60であることがより好ましい。 Furthermore, as a surfactant, a polypropylene oxide (PO) chain-polyethylene oxide (EO) chain-polypropylene oxide (PO) chain triblock copolymer ((PO) x (EO) y (PO) x ) can also be preferably used. Here, x and y are not particularly limited, but x is preferably 5 to 110, and y is preferably 15 to 70, more preferably 15 to 20, and y is 50 to 60.

上記のトリブロックコポリマーとしては、(EO)(PO)70(EO)、(EO)13(PO)30(EO)13、(EO)20(PO)30(EO)20、(EO)26(PO)39(EO)26、(EO)17(PO)56(EO)17、(EO)17(PO)58(EO)17、(EO)20(PO)70(EO)20、(EO)80(PO)30(EO)80、(EO)106(PO)70(EO)106、(EO)100(PO)39(EO)100、(EO)19(PO)33(EO)19、(EO)26(PO)36(EO)26が挙げられる。中でも、(EO)17(PO)56(EO)17、(EO)17(PO)58(EO)17を用いることが好ましい。これらのトリブロックコポリマーはBASF社等から入手可能であり、また、小規模製造レベルで所望のx値とy値を有するトリブロックコポリマーを得ることができる。上記のトリブロックコポリマーは1種あるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。 Examples of the triblock copolymer include (EO) 5 (PO) 70 (EO) 5 , (EO) 13 (PO) 30 (EO) 13 , (EO) 20 (PO) 30 (EO) 20 , (EO). 26 (PO) 39 (EO) 26 , (EO) 17 (PO) 56 (EO) 17 , (EO) 17 (PO) 58 (EO) 17 , (EO) 20 (PO) 70 (EO) 20 , ( EO) 80 (PO) 30 (EO) 80 , (EO) 106 (PO) 70 (EO) 106 , (EO) 100 (PO) 39 (EO) 100 , (EO) 19 (PO) 33 (EO) 19 , (EO) 26 (PO) 36 (EO) 26 . Among these, (EO) 17 (PO) 56 (EO) 17 and (EO) 17 (PO) 58 (EO) 17 are preferably used. These triblock copolymers are available from BASF, etc., and triblock copolymers having desired x and y values can be obtained at a small scale production level. The above triblock copolymers can be used alone or in combination of two or more.

また、エチレンジアミンの2個の窒素原子にそれぞれ2本のポリエチレンオキサイド(EO)鎖−ポリプロピレンオキサイド(PO)鎖が結合したスターダイブロックコポリマーも使用することができる。このようなスターダイブロックコポリマーとしては、((EO)113(PO)22NCHCHN((PO)22(EO)113、((EO)(PO)18NCHCHN((PO)18(EO)、((PO)19(EO)16NCHCHN((EO)16(PO)19等が挙げられる。上記のスターダイブロックコポリマーは1種あるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。 Also, a star diblock copolymer in which two polyethylene oxide (EO) chains-polypropylene oxide (PO) chains are bonded to two nitrogen atoms of ethylenediamine can be used. As such a star diblock copolymer, ((EO) 113 (PO) 22 ) 2 NCH 2 CH 2 N ((PO) 22 (EO) 113 ) 2 , ((EO) 3 (PO) 18 ) 2 NCH 2 CH 2 N ((PO) 18 (EO) 3 ) 2 , ((PO) 19 (EO) 16 ) 2 NCH 2 CH 2 N ((EO) 16 (PO) 19 ) 2 and the like. The above star diblock copolymers can be used alone or in combination of two or more.

有機無機ハイブリッド系骨格を有する有機無機複合材料は、上記の一般式(2)で表される化合物(及び必要によりアルコキシシラン等の無機系化合物)を、界面活性剤を含む水溶液に加え、酸性もしくはアルカリ性条件下で重縮合することにより得ることができるが、水溶液のpHは7以上であることが好ましい。   An organic-inorganic hybrid material having an organic-inorganic hybrid skeleton is obtained by adding the compound represented by the general formula (2) (and an inorganic compound such as alkoxysilane if necessary) to an aqueous solution containing a surfactant, Although it can be obtained by polycondensation under alkaline conditions, the pH of the aqueous solution is preferably 7 or more.

また、有機金属化合物(及び必要により無機系化合物)を、界面活性剤の非存在下、酸性もしくはアルカリ性条件下で重縮合してオリゴマーを形成させ、このオリゴマーを含む水溶液中に界面活性剤を加え、酸性もしくはアルカリ性条件下でさらに重縮合させることもできる。   In addition, an organometallic compound (and inorganic compound if necessary) is polycondensed in the absence of a surfactant under acidic or alkaline conditions to form an oligomer, and the surfactant is added to an aqueous solution containing this oligomer. Further, polycondensation can be performed under acidic or alkaline conditions.

界面活性剤存在下における重縮合においては、アルカリ性条件下による重縮合と、酸性条件下による重縮合とを交互に行うこともできる。この際、アルカリ性条件と酸性条件の順序は特に制限はないが、酸性条件で重縮合を行ってアルカリ性条件で重縮合を行うと、重合度が高まる傾向にある。なお、重縮合反応においては、攪拌と静置を交互に行うことが好ましい。   In polycondensation in the presence of a surfactant, polycondensation under alkaline conditions and polycondensation under acidic conditions can be performed alternately. At this time, the order of the alkaline condition and the acidic condition is not particularly limited. However, when polycondensation is performed under acidic conditions and polycondensation is performed under alkaline conditions, the degree of polymerization tends to increase. In the polycondensation reaction, it is preferable to perform stirring and standing alternately.

重縮合の反応温度は、0〜100℃の範囲が好ましいが、温度が低い方が生成物の構造の規則性が高くなる傾向がある。構造の規則性を高くするために好ましい反応温度は20〜40℃である。一方、反応温度が高い方が、重合度が高く構造の安定性が高くなる傾向がある。重合度を高くするために好ましい反応温度は60〜80℃である。   The reaction temperature of the polycondensation is preferably in the range of 0 to 100 ° C., but the lower the temperature, the higher the regularity of the structure of the product. A preferable reaction temperature is 20 to 40 ° C. in order to increase the regularity of the structure. On the other hand, the higher the reaction temperature, the higher the degree of polymerization tends to increase the structural stability. In order to increase the degree of polymerization, a preferable reaction temperature is 60 to 80 ° C.

重縮合反応の後、熟成を行った後に生成した沈殿あるいはゲルを濾過し、必要に応じて洗浄を行った後に乾燥すると、細孔内に界面活性剤が充填されたままの多孔体前駆体が得られる。   After the polycondensation reaction, the precipitate or gel produced after aging is filtered, and if necessary washed and dried, the porous precursor with the surfactant filled in the pores is obtained. can get.

この多孔質粒子前駆体を、重縮合反応において使用したものと同じ界面活性剤を含む水溶液(典型的には重縮合反応時と同等かそれ以下の界面活性剤濃度とする)中あるいは水等の電解質液中に分散させ、当該前駆体を50〜200℃で水熱処理することができる。この場合、重縮合反応において使用した溶液をそのままあるいは希釈して加熱することができる。加熱温度は60〜100℃であることが好ましく、70〜80℃であることがより好ましい。また、この時のpHは弱アルカリ性であることが好ましく、pHは例えば8〜8.5であることが好ましい。この水熱処理の時間には特に制限はないが、1時間以上が好ましく、3〜8時間がより好ましい。   This porous particle precursor is used in an aqueous solution containing the same surfactant as that used in the polycondensation reaction (typically with a surfactant concentration equal to or lower than that in the polycondensation reaction) or water. The precursor can be dispersed in an electrolyte solution and hydrothermally treated at 50 to 200 ° C. In this case, the solution used in the polycondensation reaction can be heated as it is or after dilution. The heating temperature is preferably 60 to 100 ° C, and more preferably 70 to 80 ° C. Moreover, it is preferable that pH at this time is weak alkalinity, and it is preferable that pH is 8-8.5, for example. Although there is no restriction | limiting in particular in the time of this hydrothermal treatment, 1 hour or more is preferable and 3-8 hours are more preferable.

この水熱処理後、多孔体前駆体を濾過した後に、乾燥し、余剰の処理液を取り去る。なお、多孔体前駆体を上記水溶液あるいは溶媒中に分散してpH調整後水熱処理を開始する前に、あらかじめ室温で数時間〜数十時間程度攪拌処理を行ってもよい。   After this hydrothermal treatment, the porous body precursor is filtered and then dried to remove excess treatment liquid. In addition, before dispersing the porous body precursor in the above aqueous solution or solvent and starting the hydrothermal treatment after pH adjustment, a stirring treatment may be previously performed at room temperature for several hours to several tens of hours.

次いで、多孔体前駆体から界面活性剤を除去するが、その方法としては、例えば、焼成による方法と水やアルコール等の溶媒で処理する方法が挙げられる。   Next, the surfactant is removed from the porous precursor. Examples of the method include a method by firing and a method of treating with a solvent such as water or alcohol.

焼成による方法においては、多孔質粒子前駆体を300〜1000℃、好ましくは400〜700℃で加熱する。加熱時間は30分程度でもよいが、完全に界面活性剤成分を除去するには1時間以上加熱することが好ましい。焼成は空気中で行うことが可能であるが、多量の燃焼ガスが発生するため、窒素等の不活性ガスを導入して行ってもよい。   In the method by firing, the porous particle precursor is heated at 300 to 1000 ° C, preferably 400 to 700 ° C. The heating time may be about 30 minutes, but it is preferable to heat for 1 hour or longer in order to completely remove the surfactant component. Firing can be performed in the air, but since a large amount of combustion gas is generated, it may be performed by introducing an inert gas such as nitrogen.

溶媒を用いて多孔質粒子前駆体から界面活性剤を除去する場合は、例えば、界面活性剤の溶解性の高い溶媒中に多孔質材料前駆体を分散させ、攪拌後固形分を回収する。溶媒としては、水、エタノール、メタノール、アセトン等を使用することができる。   When removing the surfactant from the porous particle precursor using a solvent, for example, the porous material precursor is dispersed in a solvent having a high solubility of the surfactant, and the solid content is recovered after stirring. As the solvent, water, ethanol, methanol, acetone or the like can be used.

陽イオン性の界面活性剤を用いた場合は、少量の塩酸を添加したエタノールあるいは水中に多孔質材料前駆体を分散させ、50〜70℃で加熱しながら攪拌を行う。これにより、陽イオン界面活性剤がプロトンによりイオン交換され抽出される。陰イオン性の界面活性剤を用いた場合は、陰イオンを添加した溶媒中で界面活性剤を抽出することができる。また、非イオン性の界面活性剤を用いた場合は、溶媒のみで抽出することが可能である。なお、抽出時に超音波を照射することが好ましい。また、攪拌と静置とを組み合わせ、あるいは繰り返すことが好ましい。   When a cationic surfactant is used, the porous material precursor is dispersed in ethanol or water to which a small amount of hydrochloric acid is added, and stirred while heating at 50 to 70 ° C. Thereby, a cationic surfactant is ion-exchanged and extracted by protons. When an anionic surfactant is used, the surfactant can be extracted in a solvent to which an anion has been added. In addition, when a nonionic surfactant is used, extraction can be performed only with a solvent. In addition, it is preferable to irradiate an ultrasonic wave at the time of extraction. Further, it is preferable to combine or repeat stirring and standing.

本発明において用いられる有機無機ハイブリッド材料の形状は合成条件により制御することができる。なお、有機無機ハイブリッド材料の形状は粒子の細孔の配列構造を反映しており、また、結晶構造が決まることにより形状も決まる。例えば、球状の粒子の結晶構造は三次元ヘキサゴナルであり、六角柱状の粒子の結晶構造は二次元ヘキサゴナルである。また、十八面体状の粒子の結晶構造はキュービックである。   The shape of the organic-inorganic hybrid material used in the present invention can be controlled by the synthesis conditions. The shape of the organic-inorganic hybrid material reflects the arrangement structure of the pores of the particles, and the shape is determined by determining the crystal structure. For example, the crystal structure of spherical particles is three-dimensional hexagonal, and the crystal structure of hexagonal columnar particles is two-dimensional hexagonal. The crystal structure of the octahedral particles is cubic.

有機無機ハイブリッド材料の形状(結晶構造)に影響する合成条件としては、反応温度と界面活性剤の長さ(炭素数)が挙げられる。例えば、界面活性剤としてアルキルトリメチルアンモニウムを用いる場合は、そのアルキル基の炭素数と反応温度が有機無機複合材料の形状に影響を与える。例えば、反応温度が95℃でアルキル基の炭素数が18である場合は、六角柱状の粒子が生成しやすく、反応温度が95℃でアルキル基の炭素数が16である場合は、十八面体状の粒子が生成しやすい。また、反応温度が25℃の場合は、アルキル基の炭素数が18と16のいずれの場合も球状粒子が生成しやすい。一方、反応温度が2℃でアルキル基の炭素数が18の時は、層状構造となり、反応温度が2℃でアルキル基の炭素数が16の時は、球状粒子が生成しやすい。   Examples of the synthesis conditions that affect the shape (crystal structure) of the organic-inorganic hybrid material include the reaction temperature and the length of the surfactant (carbon number). For example, when alkyltrimethylammonium is used as the surfactant, the carbon number of the alkyl group and the reaction temperature affect the shape of the organic-inorganic composite material. For example, when the reaction temperature is 95 ° C. and the carbon number of the alkyl group is 18, hexagonal columnar particles are easily formed, and when the reaction temperature is 95 ° C. and the carbon number of the alkyl group is 16, the octahedron -Like particles are easily generated. In addition, when the reaction temperature is 25 ° C., spherical particles are likely to be produced when the alkyl group has 18 or 16 carbon atoms. On the other hand, when the reaction temperature is 2 ° C. and the alkyl group has 18 carbon atoms, a layered structure is formed. When the reaction temperature is 2 ° C. and the alkyl group has 16 carbon atoms, spherical particles are likely to be formed.

他方、(b)表面修飾型有機無機ハイブリッド骨格は、金属原子と酸素原子とで構成される無機酸化物の高分子主鎖を有するものである。ここで、主鎖を構成する金属原子としては、上記有機無機ハイブリッド系骨格の説明において例示された金属原子が挙げられるが、中でも、有機基及び酸素との結合性が良好なことから、ケイ素、アルミニウム及びチタンが好ましい。なお、表面修飾型有機無機複合骨格において、金属原子は酸素原子と結合して酸化物を形成するが、この酸化物は2種以上の金属原子を含有する複合酸化物であってもよい。また、無機系骨格の主鎖は、直鎖状、分岐状、梯子状、網目状のいずれであってもよい。   On the other hand, the (b) surface-modified organic-inorganic hybrid skeleton has an inorganic oxide polymer main chain composed of metal atoms and oxygen atoms. Here, examples of the metal atom constituting the main chain include the metal atoms exemplified in the description of the organic-inorganic hybrid skeleton, and among them, silicon, Aluminum and titanium are preferred. In the surface-modified organic-inorganic composite skeleton, metal atoms are combined with oxygen atoms to form an oxide, but this oxide may be a composite oxide containing two or more metal atoms. Further, the main chain of the inorganic skeleton may be linear, branched, ladder-like, or network-like.

表面修飾型有機無機ハイブリッド骨格における有機基としては、具体的には、メチル基、エチル基等の炭素数1〜6のアルキル基;フェニル基等の炭素数6〜12のアリール基等が挙げられる。これらの有機基の結合位置は、無機系骨格を構成する金属原子、酸素原子のいずれであってもよい。   Specific examples of the organic group in the surface-modified organic-inorganic hybrid skeleton include an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as a methyl group and an ethyl group; an aryl group having 6 to 12 carbon atoms such as a phenyl group, and the like. . The bonding position of these organic groups may be either a metal atom or an oxygen atom constituting the inorganic skeleton.

表面修飾型有機無機ハイブリッド骨格を有する有機無機ハイブリッド材料の製造方法は特に制限されないが、例えばシリケート骨格(−Si−O−)を形成する場合には、下記式(7):   The method for producing the organic-inorganic hybrid material having the surface-modified organic-inorganic hybrid skeleton is not particularly limited. For example, when forming a silicate skeleton (—Si—O—), the following formula (7):

Figure 2007242524
(式中、Rは炭素数1〜6のアルキル基又は炭素数6〜12のアリール基を表し、R’はメチル基又はエチル基を表す)
で表されるオルガノシラン、並びに必要に応じて用いられるテトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン等のアルコキシシラン、をテンプレートとしての界面活性剤を用いて縮重合し、その後、界面活性剤を除去することによって得ることができる。また、上記のアルコキシシランや、ケイ酸ソーダ、カネマイト(kanemite、NaHSi・3HO)等の無機骨格成分を界面活性剤を用いて縮重合し、界面活性剤を除去して無機多孔体とした後、無機系骨格の表面に存在するシラノール基(Si−OH)に上記のオルガノシランやトリメトキシクロロシラン[Cl−Si−(OCH]等のハロゲン化オルガノシランを反応させることによって、無機系骨格の表面に有機基を導入することもできる。
Figure 2007242524
(In the formula, R represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, and R ′ represents a methyl group or an ethyl group).
In addition, a surfactant is used as a template for the polysilanes, and the alkoxysilanes such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, and tetrapropoxysilane that are used as necessary. It can be obtained by removing. In addition, inorganic skeleton components such as alkoxysilane, sodium silicate, kanemite (Kanemite, NaHSi 2 O 5 .3H 2 O) and the like are polycondensed using a surfactant, and the surfactant is removed to form an inorganic porous material. Then, the silanol group (Si—OH) present on the surface of the inorganic skeleton is reacted with a halogenated organosilane such as the above organosilane or trimethoxychlorosilane [Cl—Si— (OCH 3 ) 3 ]. Thus, an organic group can be introduced into the surface of the inorganic skeleton.

また、擬ベーマライト、アルミン酸ソーダ、硫酸アルミニウム、ジアルコキシアルミノトリアルコキシシラン等を用いることによって、アルミニウムを含有する無機系骨格を形成することができる。さらに、上記シリケート骨格の形成において例示された無機骨格成分のSiをTi、Zr、Ta、Nb、Sn、Hf等の金属に置き換えた酸化物を用いることによって、種々の金属(Mn+;MはTi、Zr、Ta、Nb、Sn、Hf等の金属を表し、nは金属の電荷を表す)をシリケート骨格内に含むメタロシリケート系骨格(SiO−MOn/2)を得ることができる。具体的には、Ti(OC等のチタネート化合物、硫酸バナジル(VOSO)、ホウ酸(HBO)又は塩化マンガン(MnCl)をアルコキシシランに加えて共重合反応を行うことによって、それぞれTi、V、B又はMnが導入されたメタロシリケート系多孔体を得ることができる。 In addition, an inorganic skeleton containing aluminum can be formed by using pseudo-bomalite, sodium aluminate, aluminum sulfate, dialkoxyaluminotrialkoxysilane, or the like. Furthermore, various metals (Mn +; M is Ti) can be obtained by using oxides in which Si of the inorganic skeleton component exemplified in the formation of the silicate skeleton is replaced with a metal such as Ti, Zr, Ta, Nb, Sn, and Hf. , Zr, Ta, Nb, Sn, Hf, etc., where n represents the charge of the metal) in the silicate skeleton, a metallosilicate skeleton (SiO 2 —MO n / 2 ) can be obtained. Specifically, a titanate compound such as Ti (OC 2 H 5 ) 4 , vanadyl sulfate (VOSO 4 ), boric acid (H 3 BO 3 ) or manganese chloride (MnCl 2 ) is added to the alkoxysilane to carry out a copolymerization reaction. By performing, a metallosilicate porous body into which Ti, V, B, or Mn is introduced can be obtained.

なお、表面修飾型有機無機ハイブリッド骨格の形成においては、テンプレートとして有機無機ハイブリッド系骨格の説明において例示された界面活性剤を用いることができ、また、有機無機ハイブリッド系骨格の形成と同様にして縮重合及び界面活性剤の除去を行うことができる。   In the formation of the surface-modified organic-inorganic hybrid skeleton, the surfactants exemplified in the explanation of the organic-inorganic hybrid skeleton can be used as a template, and the surface-modified organic-inorganic hybrid skeleton can be reduced in the same manner as the formation of the organic-inorganic hybrid skeleton. Polymerization and surfactant removal can be performed.

本発明において有機無機ハイブリッド材料が固体電解質として機能するには、上記の構成を有する有機無機ハイブリッド材料の細孔内において、イオン交換能を有する官能基が有機基と結合した構成を有する必要がある。これにより、水蒸気の相対圧力が1.0未満であっても、安定化ジルコニウム等の従来の固体電解質よりも低温で十分に高いイオン伝導性を示すものである。   In order for the organic-inorganic hybrid material to function as a solid electrolyte in the present invention, the organic-inorganic hybrid material having the above-described configuration needs to have a configuration in which a functional group having ion exchange ability is bonded to an organic group in the pores. . Thereby, even if the relative pressure of water vapor is less than 1.0, sufficiently high ionic conductivity is exhibited at a lower temperature than conventional solid electrolytes such as stabilized zirconium.

ここで、イオン交換能を有する官能基は、該固体電解質にイオン伝導性を付与する機能に加えて、細孔内が水等の電解質液で満たされる現象を起こりやすくする機能を有している。すなわち、本発明において用いられる有機無機ハイブリッド材料の細孔内にイオン交換能を有する官能基が配置されていない場合であっても毛管凝縮現象が発現するが、該固体電解質においては、その細孔内にイオン交換能を有する官能基を配置することによって、電解質液の相対圧力がより低い条件下で細孔内を電解質液で十分に満たすことができる。   Here, the functional group having ion exchange ability has a function of easily causing a phenomenon that the pores are filled with an electrolyte solution such as water in addition to the function of imparting ion conductivity to the solid electrolyte. . That is, even when the functional group having ion exchange ability is not arranged in the pores of the organic-inorganic hybrid material used in the present invention, the capillary condensation phenomenon appears. By disposing a functional group having ion exchange capacity therein, the pores can be sufficiently filled with the electrolyte solution under conditions where the relative pressure of the electrolyte solution is lower.

イオン交換能を有する官能基としては、具体的には、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、スルホンイミド基等が挙げられるが、当該官能基がスルホン酸基(−SOH)、リン酸基(−PO又は>POH)及びカルボン酸基(−COOH)からなる群より選ばれる少なくとも1種であると、電解質液の相対圧力がより低い条件下で細孔内を電解質液で十分に満たすことができるとともに、より高いイオン伝導性を得ることができるので好ましい。 Specific examples of the functional group having ion exchange ability include a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxylic acid group, and a sulfonimide group. The functional group is a sulfonic acid group (—SO 3 H), When at least one selected from the group consisting of a phosphoric acid group (—PO 4 H 2 or> PO 4 H) and a carboxylic acid group (—COOH), the pores can be formed in a pore under a condition where the relative pressure of the electrolyte solution is lower. Can be sufficiently filled with the electrolyte solution, and higher ionic conductivity can be obtained.

また、イオン交換能を有する官能基を有機基と結合させる方法については特に制限されないが、例えば、
(1)イオン交換能を有する官能基がスルホン酸基である場合には、発煙硫酸、無水硫酸(酸酸化硫黄、SO)、クロロスルホン酸(クロロ硫酸、ClSOH)等のスルホン酸化剤を用いる方法;
(2)イオン交換能を有する官能基がリン酸基である場合には、オキシ塩化リン(POCl)等のリン酸化剤を用いる方法や、クロロメチル化後に亜リン酸トリエチルを反応させた後で加水分解する方法;
(3)イオン交換能を有する官能基がカルボン酸基である場合には、有機基として側鎖基又は末端基がメチル基である基を導入し、そのメチル基を酸化する方法、等が挙げられる。
In addition, the method for binding the functional group having ion exchange capacity with the organic group is not particularly limited.
(1) When the functional group having ion exchange ability is a sulfonic acid group, a sulfonic acid oxidizing agent such as fuming sulfuric acid, sulfuric anhydride (sulfur acid oxide, SO 3 ), chlorosulfonic acid (chlorosulfuric acid, ClSO 3 H), etc. A method using
(2) When the functional group having ion exchange ability is a phosphate group, a method using a phosphorylating agent such as phosphorus oxychloride (POCl 3 ), or after reacting triethyl phosphite after chloromethylation Hydrolyzing with water;
(3) When the functional group having ion exchange ability is a carboxylic acid group, a method of introducing a group whose side chain group or terminal group is a methyl group as an organic group and oxidizing the methyl group, etc. It is done.

本発明の有機無機ハイブリッド電解質膜における有機無機ハイブリッド材料の粒子の含有量は、その優れたイオン伝導性を損なわない限りにおいて特に制限されないが、好ましくは有機無機ハイブリッド電解質膜全量を基準として40〜80重量%である。有機無機ハイブリッド電解質膜中における該固体電解質の含有量が前記下限値未満であると、雰囲気中の電解質液の相対圧力が1.0未満である場合に十分に高いイオン伝導性が得られない傾向にあり、他方、前記上限値を超えると、膜状に成型しにくかったり、膜強度が低下する傾向にある。   The content of the particles of the organic-inorganic hybrid material in the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited as long as the excellent ion conductivity is not impaired, but preferably 40-80 based on the total amount of the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane. % By weight. When the content of the solid electrolyte in the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane is less than the lower limit, a sufficiently high ionic conductivity tends not to be obtained when the relative pressure of the electrolyte solution in the atmosphere is less than 1.0. On the other hand, if it exceeds the upper limit, it tends to be difficult to mold into a film or the film strength tends to decrease.

上記の構成を有する本発明の有機無機ハイブリッド電解質膜は、雰囲気中の電解質液の相対圧力が1.0未満であっても、安定化ジルコニウム等の従来の固体電解質に比べて低い温度で十分に高いイオン伝導性を得ることを可能とするものであり、固体高分子型燃料電池や酸化物型燃料電池の電解質膜、全固体電池の電解質、センサー等の用途に好適に用いることができる。なお、本発明において用いられる電解質液としては特に制限されず、具体的には、水、アルコール、ピリジン、イミダゾール等が挙げられるが、これらの中でも水を用いることが好ましい。また、本発明の有機無機ハイブリッド電解質膜の使用条件は特に制限されないが、電解質液の相対圧力は0〜70%であることが好ましく、また、使用温度は0〜100℃の範囲内であることが好ましい。   The organic-inorganic hybrid electrolyte membrane of the present invention having the above configuration is sufficiently low at a temperature lower than that of a conventional solid electrolyte such as stabilized zirconium even when the relative pressure of the electrolyte solution in the atmosphere is less than 1.0. It makes it possible to obtain high ion conductivity, and can be suitably used for applications such as electrolyte membranes of solid polymer fuel cells and oxide fuel cells, electrolytes of all solid state batteries, and sensors. In addition, it does not restrict | limit especially as electrolyte solution used in this invention, Specifically, although water, alcohol, a pyridine, imidazole etc. are mentioned, Among these, it is preferable to use water. Moreover, the use conditions of the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane of the present invention are not particularly limited, but the relative pressure of the electrolyte solution is preferably 0 to 70%, and the use temperature is in the range of 0 to 100 ° C. Is preferred.

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明する。
[実施例1]
BTEB縮合物の高分子化
気体導入管と排気管、撹拌装置をつけた200mL4つ口フラスコにSi源としてBTEB(1,4−Bistriethoxysilylbenzene)を入れた氷浴で10分間冷却し、続いてエタノール(溶媒)、蒸留水と塩酸(触媒)を所定のモル比(表1)になるようにシリンジを用いてフラスコ内に投入した。回転数150rpm、窒素流量360mL/min、80℃(油浴)で1.5時間反応を行った。BTEBに対するHCIのモル比は0.005、0.01、0.02、0.03(EtOH/BTEB=40のモル比一定)で行い、各HCI/BTEB比においてBTEBに対するHOのモル比(r)を変えた(r=1.0〜2.0)。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples.
[Example 1]
BTEB condensate polymerized gas inlet tube, exhaust tube, 200 mL four-necked flask equipped with a stirrer was cooled for 10 minutes in an ice bath containing BTEB (1,4-bistrioxysilylbenzene) as a Si source, and then ethanol ( Solvent), distilled water and hydrochloric acid (catalyst) were introduced into the flask using a syringe so as to have a predetermined molar ratio (Table 1). The reaction was performed at 150 rpm, a nitrogen flow rate of 360 mL / min, and 80 ° C. (oil bath) for 1.5 hours. The molar ratio of HCI to BTEB is 0.005, 0.01, 0.02, 0.03 (EtOH / BTEB = 40 molar ratio constant), and the molar ratio of H 2 O to BTEB at each HCI / BTEB ratio. (R) was changed (r = 1.0-2.0).

Figure 2007242524
Figure 2007242524

評価方法
ゾル分子量を測定するためにGPC(liquid chromatograpy:東ソー製、カラム:SuperAW、溶媒:10mM HPOin 2−メトキシエタノール、流速:0.6/min、検出器:HLC−8120GPC内臓RI検出器、標準試料:ポリメチルメタクリレート)を用いた。ゾル構造の道程は29Si−NMR(日本電子社製、JNM−LA500)を用いた(溶媒:CDDI、Ref:TMSを使用)。
Evaluation Method GPC (liquid chromatography: manufactured by Tosoh Corporation, column: Super AW, solvent: 10 mM H 3 PO 4 in 2-methoxyethanol, flow rate: 0.6 / min, detector: HLC-8120 GPC internal RI for measuring sol molecular weight Detector, standard sample: polymethyl methacrylate) was used. The route of the sol structure was 29 Si-NMR (JNM-LA500, manufactured by JEOL Ltd.) (solvent: CDDI 3 , Ref: TMS was used).

高分子量化の結果
図1は各条件で得られたゾルの分子量(重量平均分子量)を示す。表2は各条件で得られた反応でえられたゾルの収量とゾルの分子量(Mn:数平均分子量、Mw:重量平均分子量)を示す。分子量分散度(Mw/Mn)はrの増加に伴って大きくなった。また、BTEBに対する水比(r)が大きくなると収量が減少した(各条件共通でBTEB原料の仕込み量:2.01g)。これはrが増加するほど加水分解反応が早く進行し、残存するエトシキ基が相対的に減少するものと考えられる(表2a、b、c、d参照)。
Results Figure 1 of high molecular weight indicates the molecular weight of the sol obtained in each condition (weight average molecular weight). Table 2 shows the yield of the sol obtained by the reaction obtained under each condition and the molecular weight of the sol (Mn: number average molecular weight, Mw: weight average molecular weight). The molecular weight dispersity (Mw / Mn) increased with increasing r. Moreover, the yield decreased as the water ratio (r) to BTEB increased (the amount of BTEB raw material charged: 2.01 g common to each condition). It can be considered that as r increases, the hydrolysis reaction proceeds faster, and the remaining Etoxy groups are relatively reduced (see Tables 2a, b, c, and d).

Figure 2007242524
Figure 2007242524

[実施例2]
BTEB/BDEB縮合物の高分子化
気体導入管と排気管、撹拌装置をつけた200mL4つ口フラスコにSi源としてBTEB(1,4−Bistriethoxysilylbenzene)を入れた氷浴で10分間冷却し、続いてエタノール(溶媒)、蒸留水と塩酸(触媒)を所定のモル比(表3)になるようにシリンジを用いてフラスコ内に投入した。回転数150rpm、窒素流量360mL/min、室温(15℃)の条件で1時間反応後、さらに80℃(油浴)で1.5時間反応を行った。BTEBに対応するHOのモル比(r)はr=1.0、1.5、2.0、30(EtOHとHCIのモル比一定)である。反応終了後RT下で10分間放冷して得られたゾルを20wt%アセトンエタノール溶液(アセトン、エタノールをそれぞれ秤量し、混合した)に調整し、PFAシャーレに注いだ。さらに、BTEB膜の架橋密度を下げるために、BDEB(1,4−Bistriethoxysilylbenzene)をSi源として表4と表5記載の混合比で同様の方法によりゾル溶液を調整した。基質(Si原:BTEB+BDEB)に対する水のモル比(r)はr=1.0(表4)、1.5(表5)一定で行った。PFAシャーレにキャストされたゾルは乾燥機で80℃で2週間保持した。
[Example 2]
BTEB / BDEB condensate polymerized gas inlet tube, exhaust tube, 200 mL four-necked flask equipped with a stirrer and cooled for 10 minutes in an ice bath containing BTEB (1,4-bistrioxysilylbenzene) as Si source, followed by Ethanol (solvent), distilled water and hydrochloric acid (catalyst) were introduced into the flask using a syringe so as to have a predetermined molar ratio (Table 3). After reacting for 1 hour under the conditions of a rotational speed of 150 rpm, a nitrogen flow rate of 360 mL / min, and room temperature (15 ° C.), the reaction was further carried out at 80 ° C. (oil bath) for 1.5 hours. The molar ratio (r) of H 2 O corresponding to BTEB is r = 1.0, 1.5, 2.0, 30 (constant molar ratio of EtOH and HCI). After completion of the reaction, the sol obtained by allowing to cool for 10 minutes under RT was adjusted to a 20 wt% acetone ethanol solution (acetone and ethanol were weighed and mixed respectively) and poured into a PFA petri dish. Further, in order to lower the crosslink density of the BTEB film, a sol solution was prepared by the same method using BDEB (1,4-Bistrioxysilylbenzene) as a Si source and the mixing ratios shown in Tables 4 and 5. The molar ratio (r) of water to the substrate (Si raw material: BTEB + BDEB) was constant at r = 1.0 (Table 4) and 1.5 (Table 5). The sol cast in the PFA petri dish was kept at 80 ° C. for 2 weeks with a dryer.

Figure 2007242524
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Figure 2007242524
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Figure 2007242524
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評価方法
ゾル分子量を測定するためにGPC(liquid chromatograpy:島津製作所製、カラム:Polymer Science Mixed D、溶媒:THF、流速:1.0/min、検出器:SPD−10A、標準試料:ポリスチレン)を用いた。
Evaluation Method GPC (liquid chromatography: manufactured by Shimadzu Corporation, column: Polymer Science Mixed D, solvent: THF, flow rate: 1.0 / min, detector: SPD-10A, standard sample: polystyrene) was used to measure the sol molecular weight. Using.

高分子量化の結果
図2は表4、表5に記載された混合比で調整したゾルの分子量を示す。r=1.5についてBDEBを添加することにより分子量は増加し、重量平均分子量は51,300であり、約120量体まで高分子化させることができた。
As a result of the high molecular weight FIG. 2 shows the molecular weight of the sol adjusted with the mixing ratios described in Tables 4 and 5. By adding BDEB for r = 1.5, the molecular weight increased, the weight average molecular weight was 51,300, and it was possible to polymerize up to about 120-mer.

[実施例3]
BTEB/BMEB縮合物の高分子化
気体導入管と排気管、撹拌装置をつけた200mL4つ口フラスコにSi源としてBTEBとBMEBを入れ氷浴で10分間冷却し、続いてエタノール(溶媒)、蒸留水と塩酸(触媒)を所定のモル比(表6)になるようにシリンジを用いてフラスコ内に投入した。回転数150rpm、窒素流量360mL/min、80℃(油浴)で1.5時間反応を行った。BTEBとBMEBの混合比(モル比)はBTEB:BMEB=1:0、0.7:0.3、0.5:0.5、0.3:0.7、0.2:0.8とした。反応終了後室温下で10分間放冷して得られたゾルにエタノールを添加(20wt%エタノール溶液に調整)し、テフロンシャーレに注ぎ、60℃で24h乾燥させた。
[Example 3]
BTEB / BMEB condensate polymerized gas introduction tube, exhaust tube, 200 mL four-necked flask equipped with a stirrer was charged with BTEB and BMEB as Si sources and cooled in an ice bath for 10 minutes, followed by ethanol (solvent) and distillation Water and hydrochloric acid (catalyst) were charged into the flask using a syringe so as to have a predetermined molar ratio (Table 6). The reaction was performed at 150 rpm, a nitrogen flow rate of 360 mL / min, and 80 ° C. (oil bath) for 1.5 hours. The mixing ratio (molar ratio) of BTEB and BMEB is BTEB: BMEB = 1: 0, 0.7: 0.3, 0.5: 0.5, 0.3: 0.7, 0.2: 0.8 It was. After completion of the reaction, ethanol was added to the sol obtained by allowing to cool at room temperature for 10 minutes (adjusted to a 20 wt% ethanol solution), poured into a Teflon petri dish, and dried at 60 ° C. for 24 hours.

Figure 2007242524
Figure 2007242524

評価方法
キャスト前のゾル分子量を測定するためにGPC(liquid chromatograpy:東ソー製、カラム:SuperAW、溶媒:10mM LiBr+ 10mM HPOin 2−メトキシエタノール、流速:0.6/min、検出器:HLC−8120GPC内臓RI検出器、標準試料:ポリメチルメタクリレート)を用いた。自立膜の強度測定は万能試料試験機(INSTRON−5564)を使用し、試験片は5×50mm角の短冊状に切り取り、試験片の引張速度は120mm/minで実施した。
Evaluation method In order to measure the sol molecular weight before casting, GPC (liquid chromatography: manufactured by Tosoh Corporation, column: Super AW, solvent: 10 mM LiBr + 10 mM H 3 PO 4 in 2-methoxyethanol, flow rate: 0.6 / min, detector: HLC-8120GPC visceral RI detector, standard sample: polymethylmethacrylate) was used. The strength of the self-supporting film was measured using an all-purpose sample testing machine (INSTRON-5564), the test piece was cut into a 5 × 50 mm square strip, and the tensile speed of the test piece was 120 mm / min.

高分子量化の結果
図3は、r(HO/Si)=1.0一定下で触媒が異なるBTEB/BMEBゾルの重量平均分子量を示す。HCI/Si=0.02、BTEB:BMEB=0.5:0.5で得られたゾルの分子量は30,000まで達した。同様にHCI/Si=0.01、BTEB:BMEB=0.2:0.8で得られたゾルの分子量は8,900まで達した。
As a result of high molecular weight FIG. 3 shows the weight average molecular weight of BTEB / BMEB sols with different catalysts under a constant r (H 2 O / Si) = 1.0. The molecular weight of the sol obtained with HCI / Si = 0.02 and BTEB: BMEB = 0.5: 0.5 reached 30,000. Similarly, the molecular weight of the sol obtained with HCI / Si = 0.01 and BTEB: BMEB = 0.2: 0.8 reached 8,900.

図4は、HCI/Si=0.02一定でr(HO/Si)の異なる条件下で得られたBTEB/BMEBゾルの重量平均分子量を示す。r=1.0、1.3についてはそれぞれBTEB:BMEB=0.5:0.5、0.3:0.7まで共重合させることが出来た。重量平均分子量は両条件とも約3万程度まで達した。 FIG. 4 shows the weight average molecular weight of the BTEB / BMEB sol obtained under different conditions of r (H 2 O / Si) with HCI / Si = 0.02 constant. For r = 1.0 and 1.3, copolymerization was possible until BTEB: BMEB = 0.5: 0.5 and 0.3: 0.7, respectively. The weight average molecular weight reached about 30,000 in both conditions.

図5は、HCI/Si=0.01一定でr(HO/Si)の異なる条件下で得られたBTEB/BMEBゾルの重量平均分子量を示す。r=1.0、1.5について、それぞれBTEB:BMEB=0.3:0.7まで共重合させることが出来、重量平均分子量はMw=51,300(BTEB:BMEB=0.3:0.7組成r=1.5)まで達した。 FIG. 5 shows the weight average molecular weight of the BTEB / BMEB sol obtained under different conditions of r (H 2 O / Si) with HCI / Si = 0.01 constant. For r = 1.0 and 1.5, copolymerization was possible up to BTEB: BMEB = 0.3: 0.7, respectively, and the weight average molecular weight was Mw = 51,300 (BTEB: BMEB = 0.3: 0) .7 composition r = 1.5).

[実施例4]
テトラエトキシシラン(TEOS)、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン(MPTES)、エタノール、塩酸、保水性非イオン性界面活性剤(F127)、過酸化水素水(メルカプト基の酸化剤)を混合したワンポットゾル溶液を、ポリエチレン多孔フィルム(帝人ソルフィル)にフィリングさせた膜を作成した。
[Example 4]
One-pot sol in which tetraethoxysilane (TEOS), 3-mercaptopropyltriethoxysilane (MPTES), ethanol, hydrochloric acid, water-retaining nonionic surfactant (F127), and hydrogen peroxide (mercapto group oxidizing agent) are mixed. A membrane was prepared by filling the solution with a polyethylene porous film (Teijin Solfil).

原料
図6に、ポリエチレン多孔フィルムを用いたワンポット含浸膜の作製手順を示す。試薬は和光純薬株式会社、東京化成株式会社、Aldrichから購入した特級試薬を用いた。ポリエチレン多孔フィルムは帝人ソルフィル多孔体(目付け:7g/m、厚み:50μm、空孔率:85%、空気透過性:15s/50mL、平均孔径:0.3μm、最大孔径:0.4μm、引張り強度:15MP、伸び:15%)を用いた。
Raw Material FIG. 6 shows a procedure for producing a one-pot impregnated membrane using a polyethylene porous film. The reagent used was a special grade reagent purchased from Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., and Aldrich. The polyethylene porous film is a Teijin Solfil porous body (weight: 7 g / m 2 , thickness: 50 μm, porosity: 85%, air permeability: 15 s / 50 mL, average pore size: 0.3 μm, maximum pore size: 0.4 μm, tensile (Strength: 15 MP, elongation: 15%) was used.

ポリエチレン多孔フィルムの前処理
ポリエチレン多孔フィルム(PE−film)を30mm×30mmに切り出し、エタノール(2mL)に5分間浸した。これを室温下35Paで10分脱泡することで、PE−filmの細孔内部にエタノールを浸漬させた。前処理したPE−filmはエタノールが残った常態で次の実験に用いた。
Pretreatment of polyethylene porous film A polyethylene porous film (PE-film) was cut into 30 mm x 30 mm and immersed in ethanol (2 mL) for 5 minutes. This was degassed at 35 Pa at room temperature for 10 minutes, so that ethanol was immersed in the pores of PE-film. The pretreated PE-film was used in the next experiment in a normal state where ethanol remained.

TEOS/MPTES/F127/H /含浸膜(Sol−1/PE−film)の調製
テトラエトキシシラン:TEOS(0.83g、4mmol)と3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン:MPTES(0.239g、1mmol)の混合溶液を室温で30分間撹拌し、これを溶液Aとした。次に非イオン性界面活性剤F127(0.641g)、エタノール(10ml)、6mol/L塩酸水溶液(8.35μL)、蒸留水(443μL)の混合溶液を室温で30分間撹拌し、これを溶液Bとした。溶液Aをエタノール(1.1mL)とともに溶液Bに加え、室温で1.5時間撹拌した。ここに30%過酸化水素水(0.681mL)を加え、室温で1.5時間撹拌した。得られた反応溶液をSol−1とした。Sol−1(4mL)を前処理したPE−filmに注ぎ、60℃で24時間乾燥した。
Preparation of TEOS / MPTES / F127 / H 2 O 2 / Impregnated Membrane (Sol-1 / PE-film) Tetraethoxysilane: TEOS (0.83 g, 4 mmol) and 3-mercaptopropyltriethoxysilane: MPTES (0.239 g) 1 mmol) was stirred at room temperature for 30 minutes, and this was designated as Solution A. Next, a mixed solution of nonionic surfactant F127 (0.641 g), ethanol (10 ml), 6 mol / L hydrochloric acid aqueous solution (8.35 μL) and distilled water (443 μL) was stirred at room temperature for 30 minutes, B. Solution A was added to solution B with ethanol (1.1 mL) and stirred at room temperature for 1.5 hours. 30% hydrogen peroxide solution (0.681 mL) was added thereto, and the mixture was stirred at room temperature for 1.5 hours. The obtained reaction solution was designated as Sol-1. Sol-1 (4 mL) was poured into a pretreated PE-film and dried at 60 ° C. for 24 hours.

比較用の含浸膜(Sol−2/PE−film、Sol−3/PE−film、Sol−4/PE−film)の調
比較用の含浸膜として界面活性剤のない系(Sol−2/PE−film)、過酸化水素水のない系(Sol−3/PE−film)及びMPTESのない系(Sol−4/PE−film)を上記の方法で作製した。各ゾル溶液の原料組成を表7に示す。
Impregnated membrane for comparison (Sol-2 / PE-film , Sol-3 / PE-film, Sol-4 / PE-film) surfactant-free system as impregnated membrane for regulating made comparisons (Sol-2 / PE-film), a system without hydrogen peroxide (Sol-3 / PE-film), and a system without MPTES (Sol-4 / PE-film) were prepared by the above-described methods. Table 7 shows the raw material composition of each sol solution.

Figure 2007242524
Figure 2007242524

評価方法
X線回析(XRD)は、RINT−TTR粉末X線解析装置(Rigaku社)を用い、管電圧50kV、管電流300mA、操作速度2°/minで測定を行った。スリットは拡散スリット1/6deg、散乱スリット1/6deg、受光スリット0.15mmとした。
Evaluation method X-ray diffraction (XRD) was performed using a RINT-TTR powder X-ray analyzer (Rigaku) at a tube voltage of 50 kV, a tube current of 300 mA, and an operation speed of 2 ° / min. The slits were a diffusion slit 1/6 deg, a scattering slit 1/6 deg, and a light receiving slit 0.15 mm.

伝導度測定
試料を蒸留水に浸漬(室温24時間)したのち、伝導度測定セルにセットした。湿度100%(25℃)における自立膜の伝導度測定は、自立膜の垂直(厚み)方向を電極で挟み、32kg/cm(0.25MPa)の加圧をしながら、LCRメーターを用いて1kHzでの交流抵抗を測定した。また相対湿度80%以下(25℃)における自立膜の伝導度は、膜の水平方向に電極を取付け、恒湿恒温槽内で目的湿度(20、40、60、80%)に調節したのち、LCRメーターを用いて1kHzでの交流抵抗を測定した。
The conductivity measurement sample was immersed in distilled water (room temperature for 24 hours), and then set in a conductivity measurement cell. Conductivity measurement of a free-standing film at a humidity of 100% (25 ° C.) was performed using an LCR meter while sandwiching the vertical (thickness) direction of the free-standing film between electrodes and applying a pressure of 32 kg / cm 2 (0.25 MPa). The AC resistance at 1 kHz was measured. In addition, the conductivity of the free-standing film at a relative humidity of 80% or less (25 ° C.) is adjusted to the target humidity (20, 40, 60, 80%) in a constant humidity chamber by attaching electrodes in the horizontal direction of the film, The AC resistance at 1 kHz was measured using an LCR meter.

有機無機ハイブリッド膜の構造及び伝導度結果
図7に示すように、Sol−1/PE−film(a)はPE−film(b)よりも透明度が高く、高い柔軟性を有していた。含浸前後での基材の透明度変化は、Sol−1がPE−filmに十分に含浸したことを示している。さらにSol−1/PE−filmの高い柔軟性は、による補強効果を示している。また他のゾル溶液(Sol−2、Sol−3、Sol−4)においても、透明で柔軟な含浸膜が得られた。
Structure and conductivity of organic-inorganic hybrid film As shown in FIG. 7, Sol-1 / PE-film (a) had higher transparency and higher flexibility than PE-film (b). The change in the transparency of the base material before and after the impregnation indicates that Sol-1 was sufficiently impregnated into PE-film. Further, the high flexibility of Sol-1 / PE-film shows the reinforcing effect. Moreover, the transparent and flexible impregnation film | membrane was obtained also in the other sol solution (Sol-2, Sol-3, Sol-4).

各ゾル溶液のバルク体を用いて含浸膜のメソ構造形成について検討を行った。図8に各ゾル液のX線回折パターンを示す。Sol−1は2θ=0.780°(d=133.1A)にメソ構造に由来する回析を示した。これはSol−1の原料比でメソ構造が形成できることを示している。同様にSol−3、Sol−4のバルク体においても、2θ=0.799°(d=110.4A)、2θ=0.780°(d=113.1A)にメソ構造に由来する回析ピークを示した。一方Sol−2のバルク体は、界面活性剤が無いため、メソ構造が形成されなかった。これらの結果は、Sol−1/PE−film、Sol−3/PE−film、Sol−4/PE−filmにおいてもメソ構造が形成していることを示唆している。   The formation of the mesostructure of the impregnated film was investigated using the bulk of each sol solution. FIG. 8 shows an X-ray diffraction pattern of each sol solution. Sol-1 showed diffraction derived from a mesostructure at 2θ = 0.780 ° (d = 133.1 A). This indicates that a mesostructure can be formed at the Sol-1 raw material ratio. Similarly, also in the bulk bodies of Sol-3 and Sol-4, diffraction derived from the mesostructure at 2θ = 0.799 ° (d = 1110.4 A) and 2θ = 0.780 ° (d = 1113.1 A). Showed a peak. On the other hand, since the Sol-2 bulk body has no surfactant, no mesostructure was formed. These results suggest that a mesostructure is also formed in Sol-1 / PE-film, Sol-3 / PE-film, and Sol-4 / PE-film.

表8に、4種類のワンポット含浸膜とPE−filmのプロトン伝導度(相対湿度100%、室温)を測定した結果を示す。PE−filmの伝導度は2.1×10−7S/cmであり、基材のみでは殆ど伝導性を示さなかった。Sol−1/PE−filmの伝導度は6.7×10−2S/cmであり、Sol−1をPE−filmへ含浸したことにより伝導度が5桁向上した。Sol−2/PE−film(界面活性剤のない系)の伝導度は1.9×10−3S/cmであった。これはSol−1/PE−film(界面活性剤のある系)の3%程度の伝導性能である。この結果はメソ構造の有無が大きく影響することを示唆している。またSol−3/PE−film(過酸化水素水のない系)、Sol−4/PE−film(MPTESのない系)の伝導度はそれぞれ1.9×10−4S/cm、1.1×10−4S/cmであった。これらの結果は含浸した有機シリカ中の「過酸化水素水で酸化されたメルカプト基=スルホン酸基」が伝導体であることを示している。 Table 8 shows the results of measuring proton conductivity (relative humidity 100%, room temperature) of four types of one-pot impregnated membranes and PE-film. The conductivity of PE-film was 2.1 × 10 −7 S / cm, and the substrate alone showed almost no conductivity. The conductivity of Sol-1 / PE-film was 6.7 × 10 −2 S / cm, and the conductivity was improved by 5 digits by impregnating PE-1 film with Sol-1. The conductivity of Sol-2 / PE-film (system without surfactant) was 1.9 × 10 −3 S / cm. This is a conductive performance of about 3% of Sol-1 / PE-film (system with a surfactant). This result suggests that the presence or absence of mesostructure has a great influence. Further, the conductivity of Sol-3 / PE-film (system without hydrogen peroxide solution) and Sol-4 / PE-film (system without MPTES) are 1.9 × 10 −4 S / cm and 1.1, respectively. × 10 -4 S / cm. These results indicate that the “mercapto group oxidized with hydrogen peroxide solution = sulfonic acid group” in the impregnated organic silica is a conductor.

Figure 2007242524
Figure 2007242524

図9に、Sol−1/PE−filmの相対湿度20、40、50、60、80、90%(25℃)下における伝導度を測定し、湿度依存性をナフィオンと比較した結果を示す。各相対湿度下におけるSol−1/PE−filmの伝導度は、ナフィオンよりも1〜2桁低かった。特に相対湿度60〜100%の領域において急激に伝導度が低下した。しかし相対湿度20〜60%においては、周辺湿度に影響されず、ほぼ一定の伝導度を示した。一方、ナフィオンの伝導度は湿度に比例し直線的に変化した。メソ細孔内に界面活性剤を保持させた有機無機ハイブリッド電解質膜は低湿側でNafionにない保水効果が現れ、一定の伝導度を示した。   FIG. 9 shows the results of measuring the conductivity of Sol-1 / PE-film under relative humidity of 20, 40, 50, 60, 80, and 90% (25 ° C.) and comparing the humidity dependency with Nafion. The conductivity of Sol-1 / PE-film at each relative humidity was 1-2 orders of magnitude lower than Nafion. In particular, the conductivity dropped rapidly in the region of relative humidity 60-100%. However, at a relative humidity of 20 to 60%, it was not affected by the ambient humidity and showed a substantially constant conductivity. On the other hand, the conductivity of Nafion changed linearly in proportion to humidity. The organic-inorganic hybrid electrolyte membrane in which the surfactant was held in the mesopores exhibited a water retention effect that was not present in Nafion on the low-humidity side, and showed a certain conductivity.

従来得られているメソポーラス細孔を有する有機無機ハイブリッド膜は、骨格構造が硬く、柔軟性に乏しいため、単独で自立造が保持できず、コート膜としてのみ利用できなかったが、本発明により自立性を有する有機無機ハイブリッド電解質膜とすることができた。これにより、本発明の有機無機ハイブリッド電解質膜を機能性膜として各種分野で用いることができるようになった。特に、本発明の有機無機ハイブリッド電解質膜は燃料電池用電解質膜として好適であり、強度が高く、プロトン伝導性が高く、化学的安定性に優れ、柔軟性がある(変形に強い)電解質膜が得られる。これにより、高性能な燃料電池を実現することができ、燃料電池の実用化と普及に貢献する。   Conventionally obtained organic-inorganic hybrid membranes having mesoporous pores have a hard skeletal structure and poor flexibility, so that they could not be maintained independently and could not be used only as a coating membrane. The organic-inorganic hybrid electrolyte membrane can be obtained. Thereby, the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane of the present invention can be used in various fields as a functional membrane. In particular, the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane of the present invention is suitable as an electrolyte membrane for fuel cells, and has a high strength, high proton conductivity, excellent chemical stability, and flexibility (strong against deformation). can get. As a result, a high-performance fuel cell can be realized, which contributes to the practical use and spread of fuel cells.

各条件で得られたゾルの分子量(重量平均分子量)を示す。The molecular weight (weight average molecular weight) of the sol obtained under each condition is shown. 表4、表5に記載された混合比で調整したゾルの分子量を示す。The molecular weight of the sol adjusted by the mixing ratio described in Table 4 and Table 5 is shown. r(HO/Si)=1.0一定下で触媒が異なるBTEB/BMEBゾルの重量平均分子量を示す。r (H 2 O / Si) = 1.0 shows the weight average molecular weight of BTEB / BMEB sols with different catalysts under constant conditions. HCI/Si=0.02一定でr(HO/Si)の異なる条件下で得られたBTEB/BMEBゾルの重量平均分子量を示す。The weight average molecular weight of the BTEB / BMEB sol obtained under different conditions of r (H 2 O / Si) with HCI / Si = 0.02 constant is shown. HCI/Si=0.01一定でr(HO/Si)の異なる条件下で得られたBTEB/BMEBゾルの重量平均分子量を示す。The weight average molecular weight of the BTEB / BMEB sol obtained under different conditions of r (H 2 O / Si) with HCI / Si = 0.01 constant is shown. ポリエチレン多孔フィルムを用いたワンポット含浸膜の作製手順を示す。The preparation procedure of the one pot impregnation film | membrane using a polyethylene porous film is shown. Sol−1/PE−film(a)とPE−film(b)の透明性及び柔軟性を示す写真。The photograph which shows the transparency and flexibility of Sol-1 / PE-film (a) and PE-film (b). 各ゾル液のX線回折パターンを示す。The X-ray diffraction pattern of each sol liquid is shown. Sol−1/PE−filmの相対湿度20、40、50、60、80、90%(25℃)下における伝導度を測定し、湿度依存性をナフィオンと比較した結果を示す。The results of measuring the conductivity of Sol-1 / PE-film under relative humidity of 20, 40, 50, 60, 80, 90% (25 ° C.) and comparing the humidity dependency with Nafion are shown.

Claims (21)

多孔質膜の細孔内にメソポーラス有機無機ハイブリッド材料が充填された有機無機ハイブリッド電解質膜であって、該メソポーラス有機無機ハイブリッド材料が、中心細孔直径1〜50nmの微細孔を有し、且つ金属原子、該金属原子に結合した酸素原子、並びに該金属原子又は該酸素原子に結合した炭素原子を1以上有する有機基からなる骨格と、該微細孔内において該有機基と結合したイオン交換能を有する官能基とを有することを特徴とする有機無機ハイブリッド電解質膜。   An organic-inorganic hybrid electrolyte membrane in which pores of a porous membrane are filled with a mesoporous organic-inorganic hybrid material, the mesoporous organic-inorganic hybrid material having a fine pore with a central pore diameter of 1 to 50 nm, and a metal A skeleton composed of an atom, an oxygen atom bonded to the metal atom, and an organic group having one or more carbon atoms bonded to the metal atom or the oxygen atom, and an ion exchange ability bonded to the organic group in the micropore. An organic-inorganic hybrid electrolyte membrane having a functional group. 前記有機無機ハイブリッド材料の骨格が、炭素原子を1以上有する有機基と、前記有機基中の同一若しくは異なる炭素原子に結合した2以上の金属原子と、前記金属原子に結合した1以上の酸素原子とからなることを特徴とする請求項1に記載の有機無機ハイブリッド電解質膜。   The skeleton of the organic-inorganic hybrid material has an organic group having one or more carbon atoms, two or more metal atoms bonded to the same or different carbon atoms in the organic group, and one or more oxygen atoms bonded to the metal atoms The organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to claim 1, comprising: 前記有機無機ハイブリッド材料の骨格が、下記一般式(1):
Figure 2007242524
(上記式(1)中、Rは炭素原子を1以上有する有機基を表し、Mは金属原子を表す。Rは水素原子、水酸基又は炭化水素基を表す。xは金属Mの価数から1を差し引いた整数、nは1以上x以下の整数、mは2以上の整数を表す。なお、Mが結合するRの炭素は同一でも異なっていてもよい。また、−O1/2−は、これらが2つ結合することにより−O−となる基を表す。)
で表される構成単位の少なくとも1種からなることを特徴とする請求項1または2に記載の有機無機ハイブリッド電解質膜。
The skeleton of the organic-inorganic hybrid material has the following general formula (1):
Figure 2007242524
(In the above formula (1), R 1 represents an organic group having one or more carbon atoms, M represents a metal atom, R 2 represents a hydrogen atom, a hydroxyl group or a hydrocarbon group. X represents the valence of the metal M. from minus 1 integer, n represents 1 or x an integer, m is an integer of 2 or more. in addition, the carbon of R 1 that M is bonded may be the same or different. Further, -O 1 / 2- represents a group which becomes -O- when two of these are bonded.
The organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to claim 1 or 2, comprising at least one of the structural units represented by
前記イオン交換能を有する官能基が、スルホン酸基、リン酸基及びカルボン酸基からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜。   The organic / inorganic according to any one of claims 1 to 3, wherein the functional group having ion exchange ability is at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a phosphoric acid group and a carboxylic acid group. Hybrid electrolyte membrane. 前記メソポーラス有機無機ハイブリッド材料の微細孔内に界面活性剤を含有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜。   The organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein a surfactant is contained in the micropores of the mesoporous organic-inorganic hybrid material. 前記多孔質膜が、ポリイミド(PI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエチレンイミド(PEI)、ポリサルホン(PSF)、ポリフェニルサルホン(PPSU)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、架橋ポリエチレン(CLPE)から選択される1種以上からなることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜。   The porous membrane is made of polyimide (PI), polyetheretherketone (PEEK), polyethyleneimide (PEI), polysulfone (PSF), polyphenylsulfone (PPSU), polyphenylene sulfide (PPS), or crosslinked polyethylene (CLPE). The organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, comprising at least one selected from the above. 前記多孔質膜が、下記一般式で表されるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)又は共重合成分を10モル%以下含むテトラフルオロエチレン共重合体からなることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜。
Figure 2007242524
(式中、Aは下記から選択される1種以上であり、c:d=1:0〜9:1である)
Figure 2007242524
6. The porous film according to claim 1, wherein the porous film is made of polytetrafluoroethylene (PTFE) represented by the following general formula or a tetrafluoroethylene copolymer containing 10 mol% or less of a copolymer component. An organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to claim 1.
Figure 2007242524
(In the formula, A is one or more selected from the following, and c: d = 1: 0 to 9: 1)
Figure 2007242524
前記多孔質膜が、ポリシロキサンからなり、該ポリシロキサン中の有機基が、メチル基、フェニル基、水素基または水酸基のうちから選択される少なくとも1種以上の基であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜。   The porous film is made of polysiloxane, and the organic group in the polysiloxane is at least one group selected from methyl group, phenyl group, hydrogen group and hydroxyl group. Item 6. The organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to any one of Items 1 to 5. 多孔質膜の細孔内にメソポーラス有機無機ハイブリッド材料の前駆体を充填する工程と、該多孔質膜の細孔内でメソポーラス有機無機ハイブリッド材料を形成する工程と、該メソポーラス有機無機ハイブリッド材料をプロトン化する工程とからなる、細孔を有する多孔質膜の、該細孔内にメソポーラス有機無機ハイブリッド材料が充填された有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法であって、該メソポーラス有機無機ハイブリッド材料が、中心細孔直径1〜50nmの微細孔を有し、且つ金属原子、該金属原子に結合した酸素原子、並びに該金属原子又は該酸素原子に結合した炭素原子を1以上有する有機基からなる高分子骨格を合成する工程と、該微細孔内において該有機基の一部をイオン交換能を有する官能基に変換する工程とを有することを特徴とする有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法。   A step of filling a precursor of a mesoporous organic-inorganic hybrid material in the pores of the porous membrane, a step of forming a mesoporous organic-inorganic hybrid material in the pores of the porous membrane, and a proton of the mesoporous organic-inorganic hybrid material A method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane having a pore-filled porous membrane filled with a mesoporous organic-inorganic hybrid material, the mesoporous organic-inorganic hybrid material comprising: Polymer having a fine pore having a central pore diameter of 1 to 50 nm and comprising a metal atom, an oxygen atom bonded to the metal atom, and an organic group having at least one metal atom or carbon atom bonded to the oxygen atom A step of synthesizing a skeleton, and a step of converting a part of the organic group into a functional group having ion exchange ability in the micropore. Process for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane, characterized in that. 多孔質膜の細孔内にメソポーラス有機無機ハイブリッド材料を充填する工程と、該メソポーラス有機無機ハイブリッド材料をプロトン化する工程とからなる、細孔を有する多孔質膜の、該細孔内にメソポーラス有機無機ハイブリッド材料が充填された有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法であって、該メソポーラス有機無機ハイブリッド材料が、中心細孔直径1〜50nmの微細孔を有し、且つ金属原子、該金属原子に結合した酸素原子、並びに該金属原子又は該酸素原子に結合した炭素原子を1以上有する有機基からなる高分子骨格を合成する工程と、該微細孔内において該有機基の一部をイオン交換能を有する官能基に変換する工程とを有することを特徴とする有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法。   A porous membrane having pores comprising a step of filling a mesoporous organic-inorganic hybrid material in pores of a porous membrane and a step of protonating the mesoporous organic-inorganic hybrid material. A method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane filled with an inorganic hybrid material, wherein the mesoporous organic-inorganic hybrid material has a fine pore having a central pore diameter of 1 to 50 nm, and is bonded to a metal atom and the metal atom And a step of synthesizing a polymer skeleton composed of an organic group having one or more oxygen atoms and one or more carbon atoms bonded to the metal atom or the oxygen atom; And a method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane, comprising: converting the functional group into a functional group. 前記有機無機ハイブリッド材料の骨格が、炭素原子を1以上有する有機基と、前記有機基中の同一若しくは異なる炭素原子に結合した2以上の金属原子と、前記金属原子に結合した1以上の酸素原子とからなることを特徴とする請求項9または10に記載の有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法。   The skeleton of the organic-inorganic hybrid material has an organic group having one or more carbon atoms, two or more metal atoms bonded to the same or different carbon atoms in the organic group, and one or more oxygen atoms bonded to the metal atoms The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to claim 9 or 10, wherein: 前記有機無機ハイブリッド材料の骨格の合成が、下記一般式(2):
Figure 2007242524
(上記式(2)中、Rは炭素原子を1以上有する有機基を表し、Mは金属原子を表す。Rは水素原子、水酸基又は炭化水素基を表す。Aはアルコキシ基またはハロゲン原子を表す。xは金属Mの価数から1を差し引いた整数、nは1以上x以下の整数、mは2以上の整数を表す。なお、Mが結合するRの炭素は同一でも異なっていてもよい。)
で表される少なくとも1種の化合物を、界面活性剤を含む水溶液に加え、酸性またはアルカリ性の条件下に重縮合して得られた、界面活性剤を含むことを特徴とする請求項9乃至11のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法。
Synthesis of the skeleton of the organic-inorganic hybrid material is represented by the following general formula (2):
Figure 2007242524
(In the above formula (2), R 1 represents an organic group having one or more carbon atoms, M represents a metal atom, R 2 represents a hydrogen atom, a hydroxyl group or a hydrocarbon group. A represents an alkoxy group or a halogen atom. X represents an integer obtained by subtracting 1 from the valence of the metal M, n represents an integer of 1 to x, and m represents an integer of 2. The carbons of R 1 to which M is bonded are the same or different. May be.)
A surfactant obtained by polycondensation under acidic or alkaline conditions is added to an aqueous solution containing a surfactant and at least one compound represented by the formula: A method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to any one of the above.
前記有機無機ハイブリッド材料の骨格の合成が、下記一般式(2):
Figure 2007242524
(上記式(2)中、Rは炭素原子を1以上有する有機基を表し、Mは金属原子を表す。Rは水素原子、水酸基又は炭化水素基を表す。Aはアルコキシ基またはハロゲン原子を表す。xは金属Mの価数から1を差し引いた整数、nは1以上x以下の整数、mは2以上の整数を表す。なお、Mが結合するRの炭素は同一でも異なっていてもよい。)
で表される少なくとも1種の化合物を、界面活性剤を含む水溶液に加え、酸性またはアルカリ性の条件下に重縮合し、得られた多孔質前駆体から該界面活性剤を除去することを特徴とする請求項9乃至11のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法。
Synthesis of the skeleton of the organic-inorganic hybrid material is represented by the following general formula (2):
Figure 2007242524
(In the above formula (2), R 1 represents an organic group having one or more carbon atoms, M represents a metal atom, R 2 represents a hydrogen atom, a hydroxyl group or a hydrocarbon group. A represents an alkoxy group or a halogen atom. X represents an integer obtained by subtracting 1 from the valence of the metal M, n represents an integer of 1 to x, and m represents an integer of 2. The carbons of R 1 to which M is bonded are the same or different. May be.)
At least one compound represented by the formula (1) is added to an aqueous solution containing a surfactant, polycondensed under acidic or alkaline conditions, and the surfactant is removed from the resulting porous precursor. A method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to any one of claims 9 to 11.
前記多孔質膜の細孔内にメソポーラス有機無機ハイブリッド材料またはメソポーラス有機無機ハイブリッド材料前駆体を充填する工程において、該メソポーラス有機無機ハイブリッド材料またはメソポーラス有機無機ハイブリッド材料前駆体を超音波照射、脱法処理、多孔質膜の表面改質、溶媒置換、界面活性剤の使用から選択される1種以上の手段を用いることを特徴とする請求項9乃至13のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法。   In the step of filling a mesoporous organic-inorganic hybrid material or a mesoporous organic-inorganic hybrid material precursor in the pores of the porous film, the mesoporous organic-inorganic hybrid material or the mesoporous organic-inorganic hybrid material precursor is irradiated with ultrasonic waves, a detreatment method, 14. The production of an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to claim 9, wherein one or more means selected from surface modification of a porous membrane, solvent replacement, and use of a surfactant are used. Method. 前記イオン交換能を有する官能基が、スルホン酸基、リン酸基及びカルボン酸基からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項9乃至14のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法。   The organic / inorganic according to any one of claims 9 to 14, wherein the functional group having ion exchange ability is at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group. A method for producing a hybrid electrolyte membrane. 前記多孔質膜が、ポリイミド(PI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエチレンイミド(PEI)、ポリサルホン(PSF)、ポリフェニルサルホン(PPSU)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、架橋ポリエチレン(CLPE)から選択される1種以上からなることを特徴とする請求項9乃至15のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法。   The porous membrane is made of polyimide (PI), polyetheretherketone (PEEK), polyethyleneimide (PEI), polysulfone (PSF), polyphenylsulfone (PPSU), polyphenylene sulfide (PPS), or crosslinked polyethylene (CLPE). The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to any one of claims 9 to 15, comprising at least one selected. 前記多孔質膜が、下記一般式で表されるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)又は共重合成分を10モル%以下含むテトラフルオロエチレン共重合体からなることを特徴とする請求項9乃至15のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法。
Figure 2007242524
(式中、Aは下記から選択される1種以上であり、a:b=1:0〜9:1である)
Figure 2007242524
The porous film is made of polytetrafluoroethylene (PTFE) represented by the following general formula or a tetrafluoroethylene copolymer containing 10 mol% or less of a copolymer component. A method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to claim 1.
Figure 2007242524
(In the formula, A is one or more selected from the following, and a: b = 1: 0 to 9: 1)
Figure 2007242524
前記多孔質膜が、ポリシロキサンからなり、該ポリシロキサン中の有機基が、メチル基、フェニル基、水素基または水酸基のうちから選択される少なくとも1種以上の基であることを特徴とする請求項9乃至15のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜の製造方法。   The porous film is made of polysiloxane, and the organic group in the polysiloxane is at least one group selected from methyl group, phenyl group, hydrogen group and hydroxyl group. Item 16. A method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to any one of Items 9 to 15. 請求項1乃至8のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜からなる燃料電池用電解質膜。   An electrolyte membrane for a fuel cell comprising the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8. 請求項1乃至8のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜からなる化学プロセス膜。   A chemical process film comprising the organic-inorganic hybrid electrolyte film according to claim 1. 高分子固体電解質膜(a)と、該電解質膜に接合される、触媒金属を担持した導電性担体とプロトン伝導性材料からなる電極触媒を主要構成材料とするガス拡散電極(b)とで構成される膜/電極接合体(MEA)を有する固体高分子型燃料電池において、該高分子固体電解質膜が、請求項1乃至8のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド電解質膜であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。   A solid polymer electrolyte membrane (a), and a gas diffusion electrode (b) mainly composed of an electroconductive carrier carrying a catalytic metal and an electrocatalyst made of a proton conductive material joined to the electrolyte membrane A polymer electrolyte fuel cell having a membrane / electrode assembly (MEA) that is formed, wherein the polymer solid electrolyte membrane is the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8. Solid polymer fuel cell.
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