JP2009043682A - Organic-inorganic hybrid electrolyte and method of manufacturing the same - Google Patents

Organic-inorganic hybrid electrolyte and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing an organic-inorganic hybrid electrolyte which has a wide range of selections in materials and mixing conditions. <P>SOLUTION: The method has a process in which a reformed inorganic material is made by introducing into an inorganic material a modification group having a mutual electrostatic operation with an ion conductive group held by an organic polymer material and then the same is mixed/dispersed in an organic polymer material. By introducing the modification group, affinity between the organic polymer material and the reformed organic material can be raised very high, and even under the condition that mixture/dispersion cannot be conducted conventionally, an organic-inorganic hybrid electrolyte can be manufactured. Specifically, the method has a mixing process in which the organic polymer material having the ion conductive group, a polarorganic solvent having affinity with the organic polymer material, a surface reforming agent introducing an organic material having affinity with the polarorganic solvent, and a reformed inorganic material which can be obtained by making a surface modification agent, which introduces a modification group having cation which generates an attraction force against the ion conductive group, contact with an inorganic material precursor are mixed. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、プロトン伝導性をもつ有機高分子材料と、無機材料とが高度に混合・分散された有機−無機ハイブリッド電解質及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an organic-inorganic hybrid electrolyte in which an organic polymer material having proton conductivity and an inorganic material are highly mixed and dispersed, and a method for producing the same.

従来から環境問題への対応の観点から、クリーンなエネルギー源としての燃料電池に注目が集まっている。ここで、燃料電池に用いられる電解質膜として、有機材料と無機材料とを複合化した材料である有機−無機ハイブリッド電解質が開発されている(特許文献1〜4)。有機−無機ハイブリッド電解質は高いイオン伝導性を示し得ること、及び高温における熱的安定性が高いことなどの特徴を持つ。   Conventionally, attention has been focused on fuel cells as clean energy sources from the viewpoint of dealing with environmental problems. Here, organic-inorganic hybrid electrolytes, which are materials obtained by combining an organic material and an inorganic material, have been developed as electrolyte membranes used in fuel cells (Patent Documents 1 to 4). The organic-inorganic hybrid electrolyte has characteristics such as high ion conductivity and high thermal stability at high temperatures.

ところで、無機材料と有機材料とは充分な親和性をもたない場合もあり、そのような場合には無機材料と有機材料とを均一に混合・分散させることは困難であった。無機材料と有機材料とは均一に混合・分散させないと、それぞれの材料が単独で発揮する性能よりも低下する場合が多かった。   By the way, the inorganic material and the organic material may not have sufficient affinity. In such a case, it is difficult to uniformly mix and disperse the inorganic material and the organic material. If the inorganic material and the organic material are not uniformly mixed / dispersed, the performance of each material is often lower than the performance of each material alone.

そこで、有機材料と無機材料とを均一に混合・分散させた電解質材料を製造する方法として特許文献1には、高分子膜の内部に、無機成分の前駆体を浸透させ、高分子膜内部で前駆体を加水分解、重合させてハイブリッドにした有機・無機ハイブリッド膜が開示されている。また、特許文献4には無機材料の周りを有機物である化学改質剤にて改質して有機材料との間の親和性を向上する技術が開示されているが、必ずしも充分な混合・分散が実現できているとは言い難かった。
特開2007−18778号公報(請求項2など) 特開2004−119072号公報 特開2005−166486号公報 国際公開第2007/029346号パンフレット(0117段落など)
Therefore, as a method for producing an electrolyte material in which an organic material and an inorganic material are uniformly mixed and dispersed, Patent Document 1 discloses that a precursor of an inorganic component is infiltrated into a polymer film, An organic / inorganic hybrid film in which a precursor is hydrolyzed and polymerized to form a hybrid is disclosed. Patent Document 4 discloses a technique for improving the affinity with an organic material by modifying the periphery of the inorganic material with a chemical modifier, which is an organic substance. It was hard to say that was realized.
JP 2007-18778 A (Claim 2 etc.) JP 2004-119072 A JP 2005-166486 A International Publication No. 2007/029346 Pamphlet (0117 paragraph etc.)

ところで、有機−無機ハイブリッド電解質において、求められる性能を実現するためには、有機材料及び無機材料のそれぞれについて、種々の材料、種々の混合比などの種々の条件にて複合化することができることが望まれる。しかしながら、先述したように、無機材料と有機材料とは充分な親和性をもたない場合もあるので、従来技術の方法では望むハイブリッド電解質が得られない場合もあり、材料の選択の幅や材料の混合条件の選択の幅が充分ではなかった。   By the way, in order to realize the required performance in the organic-inorganic hybrid electrolyte, each of the organic material and the inorganic material can be compounded under various conditions such as various materials and various mixing ratios. desired. However, as described above, there are cases where the inorganic material and the organic material do not have sufficient affinity. Therefore, the desired hybrid electrolyte may not be obtained by the prior art method. The range of selection of the mixing conditions was not sufficient.

本発明は上記実情に鑑み完成されたものであり、イオン伝導性をもつ有機高分子材料と無機材料とを混合・分散させて形成される有機−無機ハイブリッド電解質を製造するにあたり、材料や混合条件の設定について選択の幅が広い製造方法を提供することを解決すべき課題とする。また、そのようにして製造された有機−無機ハイブリッド電解質であって従来実現されていない有機−無機ハイブリッド電解質を提供することを解決すべき課題とする。   The present invention has been completed in view of the above circumstances, and in producing an organic-inorganic hybrid electrolyte formed by mixing and dispersing an organic polymer material having an ion conductivity and an inorganic material, the material and the mixing conditions It is a problem to be solved to provide a manufacturing method with a wide range of choices for the setting. Another object of the present invention is to provide an organic-inorganic hybrid electrolyte that has been produced in this manner and has not been realized in the past.

上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意検討を行った結果、有機高分子材料がもつイオン伝導性基を利用して、有機高分子材料と無機材料とを混合・分散させる方法に想到した。具体的には、有機高分子材料がもつイオン伝導性基に対して静電気的に相互作用する修飾基を無機材料に導入した改質無機材料とした上で有機高分子材料に混合・分散する方法である。修飾基の導入によって、有機高分子材料と改質無機材料との親和性を非常に高くすることができ、従来、混合・分散することができなかった条件であっても、有機−無機ハイブリッド電解質を製造することが可能になった。   As a result of intensive investigations aimed at solving the above problems, the present inventors have come up with a method of mixing and dispersing an organic polymer material and an inorganic material using an ion conductive group of the organic polymer material. did. Specifically, a modified inorganic material in which a modifying group that electrostatically interacts with the ion conductive group of the organic polymer material is introduced into the inorganic material, and then mixed and dispersed in the organic polymer material It is. By introducing the modifying group, the affinity between the organic polymer material and the modified inorganic material can be made extremely high, and the organic-inorganic hybrid electrolyte can be used even under conditions that could not be mixed and dispersed. It became possible to manufacture.

請求項1に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法は上記知見に基づき完成したものであり、その特徴は、イオン伝導性基をもつ有機高分子材料と、
前記有機高分子材料に親和性をもつ、1種の又は2種以上の極性有機溶媒である混合工程用溶媒と、
前記極性有機溶媒に親和性をもつ改質用有機材料を表面に導入する表面改質剤及び前記イオン伝導性基に対して静電相互作用により引力を生じる修飾基を表面に導入する表面修飾剤を無機材料前駆体に接触させて得られる改質無機材料と、
を混合・分散する混合工程を有することにある。
The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 1 has been completed based on the above findings, and the characteristics thereof include an organic polymer material having an ion conductive group,
A solvent for the mixing process that is one or more polar organic solvents having affinity for the organic polymer material;
A surface modifier for introducing a modifying organic material having an affinity for the polar organic solvent to the surface and a surface modifying agent for introducing a modifying group that causes attraction to the ion conductive group by electrostatic interaction to the surface A modified inorganic material obtained by contacting an inorganic material precursor with
A mixing step of mixing and dispersing the components.

請求項2に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法の特徴は、請求項1において、前記混合工程が、
前記混合工程用溶媒の一部に前記有機高分子材料を溶解する有機高分子材料溶解工程と、
前記表面改質剤及び前記表面修飾剤を前記無機材料前駆体に反応させて前記改質無機材料を得る改質・修飾工程と、
前記混合工程用溶媒の残部に前記改質無機材料を溶解する改質無機材料溶解工程と、
前記有機高分子材料溶液と前記改質無機材料溶液とを混合する溶液混合工程と、
を有することにある。
The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 2 is characterized in that, in claim 1, the mixing step comprises:
An organic polymer material dissolving step for dissolving the organic polymer material in a part of the solvent for the mixing step;
A modification / modification step of obtaining the modified inorganic material by reacting the surface modifier and the surface modifier with the inorganic material precursor;
A modified inorganic material dissolving step for dissolving the modified inorganic material in the remainder of the solvent for the mixing step;
A solution mixing step of mixing the organic polymer material solution and the modified inorganic material solution;
It is in having.

請求項3に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法の特徴は、請求項1又は2において、前記混合工程後に、前記混合工程用溶媒を除去する溶媒除去工程と、
前記改質用有機材料及び/又は前記修飾基を除去する活性化工程とを有することにある。
The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 3 is characterized in that, in claim 1 or 2, the solvent removal step of removing the solvent for the mixing step after the mixing step,
And an activation step of removing the modifying organic material and / or the modifying group.

請求項4に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法の特徴は、請求項1〜3のいずれか1項において、前記有機高分子材料がもつ前記イオン伝導性基はプロトン供与性基であることである。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 4 is characterized in that, in any one of claims 1 to 3, the ion conductive group of the organic polymer material is a proton donating group. is there.

請求項5に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法の特徴は、請求項1〜4のいずれか1項において、前記イオン伝導性基はスルホ基であり、前記修飾基はアミノ基であることである。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 5 is characterized in that, in any one of claims 1 to 4, the ion conductive group is a sulfo group, and the modifying group is an amino group. is there.

請求項6に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法の特徴は、請求項1〜5のいずれか1項において、前記表面修飾剤がシランカップリング剤であることにある。   A feature of the method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 6 is that in any one of claims 1 to 5, the surface modifier is a silane coupling agent.

請求項7に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法の特徴は、請求項6において、前記表面修飾剤が3−アミノプロピルジメチルエトキシシランとしたことにある。   A feature of the method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 7 is that, in claim 6, the surface modifier is 3-aminopropyldimethylethoxysilane.

請求項8に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法の特徴は、請求項6又は7において、前記無機材料前駆体がジルコニウム、チタン、セリウム、ウラン、スズ、バナジウム、ニオブ、アンチモン及びカルシウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む金属アルコキシドであり、
前記改質・修飾工程が前記金属アルコキシドを前記シランカップリング剤の存在下、前記金属アルコキシドを加水分解する工程であることにある。
The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 8 is characterized in that, in claim 6 or 7, the inorganic material precursor is composed of zirconium, titanium, cerium, uranium, tin, vanadium, niobium, antimony and calcium. A metal alkoxide containing at least one element selected from
The modification / modification step is a step of hydrolyzing the metal alkoxide in the presence of the silane coupling agent.

請求項9に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法の特徴は、請求項1〜8のいずれか1項において、前記表面改質剤がアセト酢酸エステル類、1,3−ジケトン及びアセトアセタミド類からなる群から選択される少なくとも1種の化合物であることにある。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 9 is characterized in that, in any one of claims 1 to 8, the surface modifier comprises acetoacetic acid esters, 1,3-diketone and acetoacetamides. It is to be at least one compound selected from the group.

請求項10に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法の特徴は、請求項3〜9のいずれか1項において、前記活性化工程がリン酸、硫酸、発煙硫酸、塩酸、硝酸、過塩素酸、亜硫酸及び亜硝酸からなる群から選択される少なくとも1種である酸を接触させる工程であることにある。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 10 is characterized in that, in any one of claims 3 to 9, the activation step comprises phosphoric acid, sulfuric acid, fuming sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, perchloric acid, It is a step of contacting an acid which is at least one selected from the group consisting of sulfurous acid and nitrous acid.

請求項11に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法の特徴は、請求項1〜10のいずれか1項において、前記無機材料前駆体がジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、ニオブ化合物、アンチモン化合物、カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選択される少なくとも1種であることにある。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 11 is characterized in that in any one of claims 1 to 10, the inorganic material precursor is a zirconium compound, a titanium compound, a cerium compound, a uranium compound, a tin compound, It is at least one selected from the group consisting of vanadium compounds, niobium compounds, antimony compounds, calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite.

請求項12に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法の特徴は、請求項1〜11のいずれか1項において、前記極性有機溶媒がN,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1−メチルピロリドン、N−メチルアセトアミド及びN,N−ジメチルアセトアミドからなる群から選択される1以上の化合物であることにある。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 12 is characterized in that in any one of claims 1 to 11, the polar organic solvent is N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone, N -One or more compounds selected from the group consisting of methylacetamide and N, N-dimethylacetamide.

上記課題を解決する本発明の有機−無機ハイブリッド電解質である請求項13に係る有機−無機ハイブリッド電解質の特徴は、アニオンであるイオン伝導性基をもつ有機高分子材料と、
改質用有機材料を表面に導入する表面改質剤及び前記イオン伝導性基に対して静電相互作用により引力を生じるカチオンをもつ修飾基を表面に導入する表面修飾剤を無機材料前駆体に接触させて得られ且つ前記有機高分子材料に混合・分散されている改質無機材料と、
を有することにある。
The organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 13, which is the organic-inorganic hybrid electrolyte of the present invention that solves the above problems, is characterized in that an organic polymer material having an ion conductive group that is an anion,
Surface modifying agent for introducing a modifying organic material on the surface and surface modifying agent for introducing a modifying group having a cation that generates an attractive force by electrostatic interaction with the ion conductive group on the surface is used as an inorganic material precursor. A modified inorganic material obtained by contact and mixed and dispersed in the organic polymer material;
It is in having.

上記のように構成した請求項1に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法においては、改質無機材料に導入されている修飾基が有機高分子材料がもつイオン伝導性基と静電相互作用を発揮することで、有機高分子材料と改質無機材料との間の相互作用を向上することに成功し、両者を高度に混合・分散させることが可能になった。従って、本発明の製造方法を適用することで、従来、充分な混合・分散が困難であった材料の組み合わせであっても、充分な混合・分散を実現することが可能になり材料選択の幅や混合条件選択の幅を大きく広げることが可能になった。また、有機高分子材料と改質無機材料との間での充分な混合・分散が可能になったので、従来の方法でも混合・分散させることが可能であった材料の組み合わせであっても、新たに予期せぬ性質が発現したり、より高い性能を発揮することが考えられる。   In the method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 1 configured as described above, the modifying group introduced into the modified inorganic material exhibits an electrostatic interaction with the ion conductive group of the organic polymer material. This has succeeded in improving the interaction between the organic polymer material and the modified inorganic material, making it possible to highly mix and disperse the two. Therefore, by applying the manufacturing method of the present invention, it is possible to realize sufficient mixing / dispersion even in the case of a combination of materials that has been difficult to mix and disperse in the past. And it became possible to greatly expand the range of selection of mixing conditions. In addition, since sufficient mixing / dispersion between the organic polymer material and the modified inorganic material is possible, even a combination of materials that can be mixed / dispersed by the conventional method, It is conceivable that unexpected properties are newly developed or that higher performance is exhibited.

上記のように構成した請求項2に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法は、有機高分子材料溶解工程と、改質無機材料溶解工程とによって、有機高分子材料の溶解を行う工程と改質無機材料の溶解を行う工程とを分離することで、有機高分子材料及び改質無機材料を混合工程用溶媒としての極性有機溶媒に別々に溶解させている。別々に溶解させることで、有機高分子材料及び改質無機材料の間の相互作用を排除した状態で溶解できると共に、それぞれに適した極性有機溶媒を採用することが可能になるので、両者をより完全に溶解させることが可能になる。従って、完全に溶解させた後に両者の溶液を混合することで、有機高分子材料及び改質無機材料をより均一に混合・分散させることが可能になる。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 2 configured as described above includes a step of dissolving an organic polymer material and a modification by an organic polymer material dissolution step and a modified inorganic material dissolution step. By separating the step of dissolving the inorganic material, the organic polymer material and the modified inorganic material are separately dissolved in the polar organic solvent as the solvent for the mixing step. By dissolving separately, it is possible to dissolve in a state in which the interaction between the organic polymer material and the modified inorganic material is excluded, and it is possible to employ a polar organic solvent suitable for each, so both It can be completely dissolved. Therefore, the organic polymer material and the modified inorganic material can be more uniformly mixed and dispersed by mixing the two solutions after completely dissolving them.

上記のように構成した請求項3に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法は、混合工程後に混合工程用溶媒を除去する溶媒除去工程を採用することで、混合・分散状態を保ったまま溶媒を除去することが出来る。溶媒を除去する過程や、溶媒除去後においても有機高分子材料及び改質無機材料の間の静電相互作用や溶媒除去に伴う粘度の上昇などにより混合・分散状態はそのまま維持することが出来る。その後、有機高分子材料及び改質無機材料の間の高度な混合・分散を実現していた改質用有機材料及び/又は修飾基を活性化工程によって除去するのであるが、溶媒を除去した後は、有機高分子材料及び改質無機材料共に分子の運動が制限されるので、そのままの混合・分散状態を保つことができる。従って、改質無機材料に導入されている改質用有機材料や修飾基をそのまま残存させた場合に電解質の性能に望ましくない影響を与える場合でも混合・分散状態はそのまま保ったまま、改質用有機材料や修飾基を除去することが出来る。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 3 configured as described above employs a solvent removal step of removing the solvent for the mixing step after the mixing step, so that the solvent is maintained while maintaining the mixed and dispersed state. Can be removed. The mixed / dispersed state can be maintained as it is due to the process of removing the solvent, the electrostatic interaction between the organic polymer material and the modified inorganic material, or the increase in viscosity accompanying the removal of the solvent even after the solvent is removed. After that, the organic material for modification and / or the modifying group that has realized high-level mixing / dispersion between the organic polymer material and the modified inorganic material is removed by the activation process. Since the movement of molecules is limited in both the organic polymer material and the modified inorganic material, the mixed and dispersed state can be maintained as it is. Therefore, if the modifying organic material or modifying group introduced into the modified inorganic material is left as it is, it may cause undesirable effects on the electrolyte performance, while maintaining the mixed and dispersed state as it is. Organic materials and modifying groups can be removed.

例えば、改質工程は請求項9に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法のように、リン酸、硫酸、発煙硫酸、塩酸、硝酸、過塩素酸、亜硫酸及び亜硝酸からなる群から選択される少なくとも1種である酸を接触させる工程を採用することが出来る。これらの酸の接触により、導入された修飾基や改質用有機材料を加水分解などにより除去することが出来ると共に、修飾基や改質用有機材料を除去した後の無機材料の表面にそれらの酸に由来するイオン伝導性基(リン酸由来のホスホ基、硫酸や発煙硫酸由来のスルホ基など)を導入してイオン伝導性を向上させることが出来る。   For example, the reforming step is selected from the group consisting of phosphoric acid, sulfuric acid, fuming sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, perchloric acid, sulfurous acid and nitrous acid, as in the method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 9. A step of contacting at least one acid can be employed. By contacting these acids, the introduced modifying group and the modifying organic material can be removed by hydrolysis or the like, and the surface of the inorganic material after removing the modifying group and the modifying organic material can be removed. An ion conductive group derived from an acid (phospho group derived from phosphoric acid, sulfo group derived from sulfuric acid or fuming sulfuric acid, etc.) can be introduced to improve ion conductivity.

上述のように構成した請求項4に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法は、前記イオン伝導性基としてはプロトン供与性基を採用することで、有機高分子材料及び改質無機材料の間を確実に混合・分散することができる。特に請求項5に係る発明のようにイオン伝導性基としてスルホ基を採用し、前記修飾基としてはアミノ基を採用することでこの効果は顕著である。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 4 configured as described above employs a proton-donating group as the ion-conducting group, so that a space between the organic polymer material and the modified inorganic material can be obtained. Can be mixed and dispersed reliably. In particular, this effect is remarkable by adopting a sulfo group as the ion conductive group as in the invention according to claim 5 and adopting an amino group as the modifying group.

上述のように構成した請求項6に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法は、前記表面修飾剤としてシランカップリング剤を採用することで修飾基が導入された改質無機材料を比較的容易な操作により得ることができる。特にシランカップリング剤としては請求項7に記載したような3−アミノプロピルジメチルエトキシシランであることが望ましい。   In the method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 6 configured as described above, a modified inorganic material into which a modifying group has been introduced by adopting a silane coupling agent as the surface modifier is relatively easy. It can be obtained by operation. In particular, the silane coupling agent is preferably 3-aminopropyldimethylethoxysilane as described in claim 7.

上述のように構成した請求項8に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法は、それら金属アルコキシドを採用し、前述したシランカップリング剤の存在下、その金属アルコキシドを加水分解することで、改質無機材料中に導入される修飾基の分布の均一化、修飾基の確実な導入、そして修飾基の導入量の確実な制御を実現できる。従って、本発明の製造方法において均一な混合・分散を実現する基礎になる修飾基の導入を均一にできるので、有機高分子材料及び改質無機材料の間の混合分散の程度を高めることが可能になる。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 8 configured as described above employs the metal alkoxide and hydrolyzes the metal alkoxide in the presence of the silane coupling agent described above, thereby modifying the metal-alkoxide. Uniform distribution of the modifying group introduced into the inorganic material, reliable introduction of the modifying group, and reliable control of the introduction amount of the modifying group can be realized. Accordingly, since the introduction of the modifying group that is the basis for realizing uniform mixing and dispersion in the production method of the present invention can be made uniform, the degree of mixing and dispersion between the organic polymer material and the modified inorganic material can be increased. become.

上述のように構成した請求項9に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法は、前記表面改質剤としてアセト酢酸エステル類、1,3−ジケトン及びアセトアセタミド類からなる群から選択される少なくとも1種の化合物を採用することで、改質無機材料と有機高分子材料との間の親和性を向上することが可能になり、より高度な混合・分散が実現できる。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 9 configured as described above is at least one selected from the group consisting of acetoacetate esters, 1,3-diketones and acetoacetamides as the surface modifier. By adopting this compound, it becomes possible to improve the affinity between the modified inorganic material and the organic polymer material, and it is possible to realize more advanced mixing and dispersion.

上述のように構成した請求項11に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法は、無機材料前駆体として前述の化合物を採用することで、より高いイオン伝導性をもつ有機−無機ハイブリッド電解質を提供することが出来る。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 11 configured as described above provides an organic-inorganic hybrid electrolyte having higher ionic conductivity by employing the aforementioned compound as an inorganic material precursor. I can do it.

上述のように構成した請求項12に係る有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法は、極性有機溶媒として前述の化合物を採用することで、有機高分子材料と改質無機材料との双方を溶解することが可能になり、均一に混合することが出来るようになる。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 12 configured as described above dissolves both the organic polymer material and the modified inorganic material by employing the aforementioned compound as a polar organic solvent. It becomes possible to mix evenly.

上述のように構成した請求項13に係る有機−無機ハイブリッド電解質は、改質用有機材料と修飾基とが表面に導入されている改質無機材料を採用することで、従来技術と比較して、より高度な混合・分散が実現された有機−無機ハイブリッド電解質を提供することが可能になる。   The organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 13 configured as described above employs a modified inorganic material in which a modifying organic material and a modifying group are introduced on the surface, so that the organic-inorganic hybrid electrolyte can be compared with the related art. Thus, it is possible to provide an organic-inorganic hybrid electrolyte in which more advanced mixing / dispersion is realized.

本発明の有機−無機ハイブリッド電解質及びその製造方法について、実施形態に基づき以下詳細に説明を行う。   The organic-inorganic hybrid electrolyte and the method for producing the same of the present invention will be described in detail below based on the embodiments.

本実施形態の有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法にて製造される有機−無機ハイブリッド電解質は、有機高分子材料と無機材料とが混合分散して形成される電解質である。有機高分子材料としては高分子の骨格中に炭素原子を有し、イオン伝導性基をその化学構造中に有すること以外は特に限定されない。イオン伝導性基はアニオンであり、スルホ基、ホスホ基、カルボニル基などが単独又は2種以上組み合わされたものが例示できる。このイオン伝導性基は有機高分子材料を構成する高分子の主鎖に直接、結合されるものであっても、側鎖に結合されるものであっても、両者を組み合わせるものであっても構わない。   The organic-inorganic hybrid electrolyte produced by the method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte of the present embodiment is an electrolyte formed by mixing and dispersing an organic polymer material and an inorganic material. The organic polymer material is not particularly limited except that it has a carbon atom in the polymer skeleton and an ion conductive group in its chemical structure. The ion conductive group is an anion, and examples thereof include those in which a sulfo group, a phospho group, a carbonyl group or the like is used alone or in combination of two or more. The ion conductive group may be directly bonded to the main chain of the polymer constituting the organic polymer material, or may be bonded to the side chain, or a combination of both. I do not care.

有機高分子材料の基本骨格としては炭化水素系高分子、フッ素系高分子、そしてフッ素・炭化水素混合系高分子からなる群のうちの1又は2種以上を採用することが出来る。例えば、ナフィオン(商標)などのパーフルオロアルキルスルホン系高分子、芳香族ポリエーテルスルホン系高分子、ポリエーテルケトン系高分子が挙げられる。具体的にはポリ(アリレンエーテルスルホン)にスルホ基を導入した高分子材料(以下、「SPES」と称する)が挙げられる。   As the basic skeleton of the organic polymer material, one or more of a group consisting of a hydrocarbon polymer, a fluorine polymer, and a fluorine / hydrocarbon mixed polymer can be employed. Examples thereof include perfluoroalkylsulfone polymers such as Nafion (trademark), aromatic polyethersulfone polymers, and polyetherketone polymers. Specifically, a polymer material (hereinafter referred to as “SPES”) in which a sulfo group is introduced into poly (arylene ether sulfone) is exemplified.

無機材料としては特に限定されないが、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、ニオブ化合物、アンチモン化合物、カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選択される少なくとも1種が例示できる。特に、酸化物が挙げられる。また、これらの化合物にホスホ基、スルホ基などのアニオンを導入することで、無機材料もイオン伝導性に寄与させることが出来る。無機材料はナノメートルオーダーの微小粒子を形成することや分子レベルで前述の有機高分子材料と混合・分散されていることが望ましい。   The inorganic material is not particularly limited, but is selected from the group consisting of zirconium compound, titanium compound, cerium compound, uranium compound, tin compound, vanadium compound, niobium compound, antimony compound, calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite. At least one of them can be exemplified. In particular, an oxide is mentioned. Moreover, inorganic materials can also contribute to ionic conductivity by introducing an anion such as a phospho group or a sulfo group into these compounds. It is desirable that the inorganic material forms fine particles on the order of nanometers and is mixed and dispersed with the aforementioned organic polymer material at the molecular level.

ジルコニウム化合物としては、ZrO2、ZrO2・nH2O、Zr(HPO42、Zr(HPO42・nH2O、Zr(HSO32、Zr(HSO32・nH2O、Zr(O3P−R1−SO3H)2、Zr(O3P−Rl−SO3H)2・nH2O、Zr(O3P−R2−SO3H)2-X(O3P−R3−COOH)X、及びZr(O3P−R2−SO3H)2-X(O3P−R3−COOH)X・nHO(式中、Rl、R2及びR3は各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはRl及びR2は各々独立に二価の芳香族基を示し且つR3はアルキレン基を示す。Xは0超、2未満)からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが望ましい。 ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 .nH 2 O Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2− X (O 3 P—R 3 —COOH) X , and Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2−X (O 3 P—R 3 —COOH) X · nHO (wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represent a divalent aromatic group, preferably R 1 and R 2 each independently represent a divalent aromatic group and R 3 represents an alkylene group, X is 0 It is desirable that it is at least one selected from the group consisting of (super, less than 2).

チタン化合物としては、TiO2、TiO2・nH2O、Ti(HP042、Ti(HPO42・nH2O、Ti(HSO32及びTi(HSO32・nH2Oからなる群から選ばれる少なくとも1種であることが望ましい。(nは1〜10程度。以下同じ) Titanium compounds include TiO 2 , TiO 2 · nH 2 O, Ti (HP0 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 · nH 2 O, Ti (HSO 3 ) 2 and Ti (HSO 3 ) 2 · nH 2 O. It is desirable that it is at least one selected from the group consisting of (N is about 1 to 10. The same applies hereinafter)

セリウム化合物は、CeO2、CeO2・nH2O、Ce(HPO42及びCe(HPO42・nH2Oからなる群から選ばれる少なくとも1種であることが望ましい。 The cerium compound is desirably at least one selected from the group consisting of CeO 2 , CeO 2 .nH 2 O, Ce (HPO 4 ) 2 and Ce (HPO 4 ) 2 .nH 2 O.

ウラニウム化合物は、H3OUO4PO4、H3OUO4PO4・nH2O、H3OUO2AsO4及びH3OUO2AsO4・nH2Oからなる群から選ばれる少なくとも1種であることが望ましい。 Uranium compounds are H 3 OUO 4 PO 4, H 3 OUO 4 PO 4 · nH 2 O, H 3 OUO 2 AsO 4 and H 3 OUO 2 AsO least one selected from the group consisting of 4 · nH 2 O It is desirable.

スズ化合物は、SnO2又はSnO2・nH2Oであることが望ましい。バナジウム化合物は、V25又はV25・nH2Oであることが望ましい。ニオブ化合物は、Nb25又はNb25・nH2Oであることが望ましい。アンチモン化合物は、Sb25、Sb25・nH2O、HSbO3、HSbO3・nH2O、H2SbO11、H2SbO11・nH2O、HXSbX23及びHXSbX23・nH2O(式中、Xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが望ましい。 The tin compound is desirably SnO 2 or SnO 2 .nH 2 O. The vanadium compound is desirably V 2 O 5 or V 2 O 5 .nH 2 O. The niobium compound is desirably Nb 2 O 5 or Nb 2 O 5 .nH 2 O. Antimony compounds include Sb 2 0 5 , Sb 2 O 5 .nH 2 O, HSbO 3 , HSbO 3 .nH 2 O, H 2 SbO 11 , H 2 SbO 11 .nH 2 O, H X Sb X P 2 O 3 And at least one selected from the group consisting of H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein X is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10).

カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、Ca10(PO4)X2及びCa10(PO4)X2・nH2O(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが望ましい。 Calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite are Ca 10 (PO 4 ) X 2 and Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X represents —OH and / or —F). It is desirable that it is at least one selected from the group consisting of

(有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法)
本実施形態の有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法は混合工程とその他必要な工程とを有する。混合工程は有機高分子材料と改質無機材料と混合工程用溶媒とを混合する工程である。
(Method for producing organic-inorganic hybrid electrolyte)
The manufacturing method of the organic-inorganic hybrid electrolyte of the present embodiment includes a mixing step and other necessary steps. The mixing step is a step of mixing the organic polymer material, the modified inorganic material, and the solvent for the mixing step.

改質無機材料は無機材料前駆体に表面改質剤と表面修飾剤とを接触させて得られる材料であり、後述する活性化工程において最終的に製造される有機−無機ハイブリッド電解質中において無機材料に変換され得る材料である。無機材料前駆体は表面改質剤及び表面修飾剤と接触させることで改質される。接触させる条件については後に詳述するが、酸性条件下で放置乃至撹拌したり、加熱条件下で放置乃至撹拌したりする条件が挙げられる。用いられる溶媒としては混合工程用溶媒をそのまま採用することも出来るし、水、アルコールなどを採用し、その後、除去することも出来る。表面改質剤及び表面修飾剤は同時に無機材料前駆体に接触させても良いし、それぞれ独立に無機材料前駆体に接触させても良い。独立して接触させる場合には接触させる順序も問わない。   The modified inorganic material is a material obtained by bringing a surface modifier and a surface modifier into contact with an inorganic material precursor, and is an inorganic material in an organic-inorganic hybrid electrolyte that is finally produced in an activation process described later. It is a material that can be converted into The inorganic material precursor is modified by contacting with the surface modifier and the surface modifier. The conditions for contact will be described in detail later. Examples of the conditions include leaving or stirring under acidic conditions and standing or stirring under heating conditions. As the solvent to be used, the solvent for the mixing step can be employed as it is, or water, alcohol or the like can be employed and then removed. The surface modifier and the surface modifier may be simultaneously contacted with the inorganic material precursor, or may be independently contacted with the inorganic material precursor. When contacting independently, the order of contacting does not matter.

無機材料前駆体としては無機材料中に含まれる元素(ジルコニウム、チタン、セリウム、ウラン、スズ、バナジウム、ニオブ、アンチモン、カルシウムなど)を含む金属アルコキシドが例示される。金属アルコキシドを加水分解すること(いわゆる、ゾルゲル法)で、それぞれ含有する元素の酸化物微粒子が得られる。そして、表面改質剤及び表面修飾剤の存在下で加水分解させることで、改質用有機材料及び修飾基を効率よく導入した改質無機材料を得ることが出来る。また、無機材料として酸化物を採用する場合にはその中に含まれる元素(ジルコニウム、チタン、セリウム、ウラン、スズ、バナジウム、ニオブ、アンチモン、カルシウムなど)の酸化物の微粒子(ナノメートルオーダーの微小粒子であることが望ましい)を採用することも出来る。   Examples of the inorganic material precursor include metal alkoxides containing elements (zirconium, titanium, cerium, uranium, tin, vanadium, niobium, antimony, calcium, etc.) contained in the inorganic material. By hydrolyzing the metal alkoxide (so-called sol-gel method), oxide fine particles of the respective elements contained can be obtained. And the modified inorganic material which introduce | transduced efficiently the organic material for modification and a modification group can be obtained by making it hydrolyze in presence of a surface modifier and a surface modifier. In addition, when oxides are used as inorganic materials, fine particles of oxides of elements (zirconium, titanium, cerium, uranium, tin, vanadium, niobium, antimony, calcium, etc.) contained therein (nanometer-order minute) It is also possible to employ particles.

表面改質剤は無機材料前駆体の表面に改質用有機材料を導入することが出来る化合物である。改質用有機材料は後述する混合工程用溶媒に対して親和性をもつ化合物であり、改質無機材料を混合工程用溶媒に溶解可能とするものである。改質用有機材料は無機材料前駆体の表面に共有結合により結合するものであっても良いし、イオン結合により結合するものであっても良いが、後述する活性化工程において容易に除去可能な結合を採用することが望ましい。例えば、アセト酢酸エステル類(アセト酢酸エチルなど)、1,3−ジケトン(アセチルアセトンなど)、アセトアセタミド類(N,N−ジメチルアミノアセトアセタミドなど)が挙げられる。   The surface modifier is a compound that can introduce a modifying organic material onto the surface of the inorganic material precursor. The modifying organic material is a compound having an affinity for the solvent for the mixing process described later, and enables the modified inorganic material to be dissolved in the solvent for the mixing process. The modifying organic material may be bonded to the surface of the inorganic material precursor by a covalent bond or may be bonded by an ionic bond, but can be easily removed in the activation step described later. It is desirable to employ a bond. Examples thereof include acetoacetic esters (such as ethyl acetoacetate), 1,3-diketone (such as acetylacetone), and acetoacetamides (such as N, N-dimethylaminoacetoacetamide).

表面修飾剤は有機高分子材料がもつイオン伝導性基との間で静電相互作用により引力を生じるカチオンをもつ修飾基を導入できる化合物である。修飾基としては塩基性官能基が好ましく、含窒素官能基、例えば、アミノ基、グアニジノ基、ピリジン環を含有する基が挙げられ、特に、アミノ基を採用することが望ましい。これらの修飾基を導入できる表面修飾剤としては特に限定しないが、後述する活性化工程において容易に除去可能な結合を採用することが望ましい。例えば、これらの修飾基を化学構造中にもつシランカップリング剤を採用することが望ましい。シランカップリング剤としては、1官能性の化合物、すなわちモノアルコキシシラン化合物、であって、架橋反応が進行しないものが望ましい。アミノ基を導入できるシランカップリング剤としては3−アミノプロピルジメチルエトキシシランが例示できる。   The surface modifier is a compound that can introduce a modifying group having a cation that generates an attractive force by electrostatic interaction with an ion conductive group of the organic polymer material. The modifying group is preferably a basic functional group, and includes nitrogen-containing functional groups such as an amino group, a guanidino group, and a group containing a pyridine ring, and it is particularly desirable to employ an amino group. Although it does not specifically limit as a surface modifier which can introduce | transduce these modification groups, It is desirable to employ | adopt the coupling | bonding which can be removed easily in the activation process mentioned later. For example, it is desirable to employ a silane coupling agent having these modifying groups in the chemical structure. As the silane coupling agent, a monofunctional compound, that is, a monoalkoxysilane compound that does not proceed with a crosslinking reaction is desirable. An example of a silane coupling agent capable of introducing an amino group is 3-aminopropyldimethylethoxysilane.

混合工程用溶媒は有機高分子材料に親和性をもつ、1種の又は2種以上の極性有機溶媒であり、有機高分子材料を溶解することが可能である。従って、有機高分子材料の種類によって、採用できる極性有機溶媒の種類は変化する。例えば、有機高分子材料としてSPESを採用した場合には、混合工程用溶媒としてはN,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1−メチルピロリドン、N−メチルアセトアミド及びN,N−ジメチルアセトアミドからなる群から選択される1以上の化合物が挙げられる。   The solvent for the mixing process is one or more polar organic solvents having affinity for the organic polymer material, and can dissolve the organic polymer material. Therefore, the type of polar organic solvent that can be employed varies depending on the type of organic polymer material. For example, when SPES is adopted as the organic polymer material, the solvent for the mixing process includes N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone, N-methylacetamide and N, N-dimethylacetamide. One or more compounds selected from:

混合工程は有機高分子材料を混合工程用溶媒に溶解させた溶液と改質無機材料を混合工程用溶媒に溶解させた溶液とを混合する工程を採用することが望ましい。有機高分子材料及び改質無機材料はそれぞれ有機高分子材料溶解工程と改質無機材料溶解工程とにより、別々に溶解することで、より確実に溶解させることが出来る。そして、表面改質剤及び表面修飾剤を無機材料前駆体に接触させて改質無機材料を得る工程である改質・修飾工程を改質無機材料溶解工程の前にもつ。   The mixing step desirably employs a step of mixing a solution in which the organic polymer material is dissolved in the solvent for the mixing step and a solution in which the modified inorganic material is dissolved in the solvent for the mixing step. The organic polymer material and the modified inorganic material can be dissolved more reliably by dissolving separately in the organic polymer material dissolving step and the modified inorganic material dissolving step. And it has the modification | reformation and modification process which is a process of making a surface modification agent and a surface modification agent contact an inorganic material precursor, and obtaining a modification inorganic material before a modification | reformation inorganic material melt | dissolution process.

その他の工程として溶媒除去工程と活性化工程をもつことが望ましい。更に、混合・分散物を使用状態に適した形態に成形する工程をもつことが望ましい。膜状にする方法としては特に限定しないが、適正な板状体の上にキャスティングする方法や、適正な多孔質体からなる膜に浸漬させて細孔フィリング電解質膜とする方法などが挙げられる。また、燃料電池の触媒層に採用する場合には触媒層を形成する多孔質体(カーボンペーパーなど)に含浸させる方法がある。   It is desirable to have a solvent removal step and an activation step as other steps. Furthermore, it is desirable to have a step of forming the mixture / dispersion into a form suitable for the state of use. Although it does not specifically limit as the method of making into a film form, The method of casting on an appropriate plate-like body, the method of being immersed in the film | membrane which consists of an appropriate porous body, and making a pore filling electrolyte membrane etc. are mentioned. Moreover, when adopting for the catalyst layer of a fuel cell, there exists the method of impregnating the porous body (carbon paper etc.) which forms a catalyst layer.

溶媒除去工程は混合工程にて用いた混合工程用溶媒を除去する工程である。混合工程用溶媒を除去する方法としては、無機材料と有機高分子材料との分散状態に悪影響を与えない方法であることが望ましく、蒸発による除去、有機高分子材料及び改質無機材料の貧溶媒へ浸漬することによる置換などが挙げられる。   A solvent removal process is a process of removing the solvent for mixing processes used in the mixing process. As a method for removing the solvent for the mixing process, it is desirable that the method does not adversely affect the dispersion state of the inorganic material and the organic polymer material. Removal by evaporation, poor solvent for the organic polymer material and the modified inorganic material Substituting by soaking in can be mentioned.

活性化工程は改質無機材料の表面に導入されている改質用有機材料及び/又は修飾基を除去する工程である。改質用有機材料及び/又は修飾基を除去する方法としては、それぞれの改質用有機材料及び修飾基の性質に応じて選択すれば良い。例えば、改質用有機材料としてアセト酢酸エステル類、1,3−ジケトン、アセトアセタミド類を採用し、修飾基を導入する表面修飾剤としてシランカップリング剤を採用した場合には、混合工程で得られた混合・分散物を使用形態に適した状態(膜に成形したり、多孔質体に含浸させたりする。混合工程用溶媒は除去されている)にした後、酸水溶液中に浸漬することで、加水分解反応などが進行して、改質用有機材料及び修飾基を除去することが出来る。ここで、酸としては、リン酸、硫酸、発煙硫酸、塩酸、硝酸、過塩素酸、亜硫酸及び亜硝酸からなる群から選択される少なくとも1種である酸を採用することが望ましい。特にリン酸を採用すると、改質用有機材料及び/又は修飾基を除去した後の改質無機材料の表面にイオン伝導性向上に寄与するホスホ基を導入することが可能になり、又、プロトン伝導性をもつ金属リン酸基に変換することも可能になるので望ましい。なお、本実施形態の有機−無機ハイブリッド電解質は燃料電池に採用する場合には燃料電池内の雰囲気によって活性化工程と類似の反応が進行して、導入されている改質用有機材料及び修飾基が除去されることも考えられる。また、改質用有機材料及び/又は修飾基が導入されている量によっては電解質の使用状態における性能発現に影響がない場合もあるので、その場合には活性化工程を行わなくても充分な性能を発揮できる。   The activation step is a step of removing the modifying organic material and / or modifying group introduced on the surface of the modified inorganic material. The method for removing the modifying organic material and / or modifying group may be selected according to the properties of the modifying organic material and modifying group. For example, when acetoacetic acid esters, 1,3-diketones, and acetoacetamides are used as the organic material for modification, and a silane coupling agent is used as the surface modifying agent for introducing the modifying group, it can be obtained in the mixing step. The mixture / dispersion is made into a state suitable for the form of use (molded into a membrane or impregnated into a porous body. The solvent for the mixing process has been removed) and then immersed in an aqueous acid solution. Then, the hydrolysis reaction proceeds and the organic material for modification and the modifying group can be removed. Here, as the acid, it is desirable to employ an acid that is at least one selected from the group consisting of phosphoric acid, sulfuric acid, fuming sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, perchloric acid, sulfurous acid, and nitrous acid. In particular, when phosphoric acid is employed, it becomes possible to introduce a phospho group that contributes to improving ion conductivity to the surface of the modified inorganic material after removing the modifying organic material and / or modifying group, This is desirable because it can be converted into a metal phosphate group having conductivity. When the organic-inorganic hybrid electrolyte of this embodiment is employed in a fuel cell, a reaction similar to the activation step proceeds depending on the atmosphere in the fuel cell, and the introduced organic material for modification and the modifying group introduced. It is also conceivable that is removed. In addition, depending on the amount of the modifying organic material and / or the modifying group introduced, the performance of the electrolyte in the usage state may not be affected. In this case, the activation step is not necessary. Performance can be demonstrated.

(改質無機材料の製造)
200mLのイソプロピルアルコール中に無機材料前駆体としてのテトラブトキシジルコニウム(Zr(OBt)4)を入れて30分間混合した。その後、表面改質剤としてのアセチルアセトン(AcAc)を加え、3時間撹拌した。更に、表面修飾剤としての3−アミノプロピルジメチルエトキシシラン(APS)を加えて30分間撹拌した。
(Manufacture of modified inorganic materials)
Tetrabutoxyzirconium (Zr (OBt) 4 ) as an inorganic material precursor was placed in 200 mL of isopropyl alcohol and mixed for 30 minutes. Thereafter, acetylacetone (AcAc) as a surface modifier was added and stirred for 3 hours. Further, 3-aminopropyldimethylethoxysilane (APS) as a surface modifier was added and stirred for 30 minutes.

その後、1Nの硝酸を加えて12時間撹拌し、テトラブトキシジルコニウムを加水分解すると共に、改質用有機材料としてのアセチルアセトンと修飾基としてのアミノ基をもつ3−アミノプロピルジメチルシリル基(シロキシ基)とを導入した改質無機材料を得た(改質・修飾工程:得られた粉末はAcAcとAPSとの存在により濃い黄色に着色した)。   Thereafter, 1N nitric acid is added and stirred for 12 hours to hydrolyze tetrabutoxyzirconium, and acetylacetone as a modifying organic material and a 3-aminopropyldimethylsilyl group (siloxy group) having an amino group as a modifying group (Modified / modifying step: the obtained powder was colored deep yellow due to the presence of AcAc and APS).

撹拌終了後、110℃で加熱を行い、溶媒を蒸発除去した後、トルエンで充分洗浄し、真空乾燥を行った。得られた粉末を本実施例の無機材料(改質無機材料)とした。ZrO2にAPSが反応したことの確認はFT−IRにより3300cm-1付近のアミノ基由来のピーク、1250cm-1付近のC−N結合由来のピークの存在により確認した。 After completion of the stirring, the mixture was heated at 110 ° C. to evaporate and remove the solvent, and then thoroughly washed with toluene and vacuum dried. The obtained powder was used as the inorganic material (modified inorganic material) of this example. Confirmation that the ZrO 2 APS had reacted was confirmed by FT-IR peak derived from the amino group near 3300 cm -1, the presence of a peak derived from C-N bond at around 1250 cm -1.

Zr(OBt)4、AcAc、HNO3、そしてAPSの混合比はモル数基準で、Zr(OBt)4が1に対して、AcAcが1又は2、HNO3が0.4、APSが0,0.5,0.75及び1.0とした。 The mixing ratio of Zr (OBt) 4 , AcAc, HNO 3 , and APS is based on the number of moles, and Zr (OBt) 4 is 1, AcAc is 1 or 2, HNO 3 is 0.4, APS is 0, 0.5, 0.75 and 1.0.

比較例の無機材料として、APSを添加せず(APSの添加量が0)に調製した無機材料(比較例1:AcAcによる処理を行い、APSにて処理していない無機材料:AcAcの存在により薄黄色に着色)と、APS及びAcAcの双方を添加せずに調製した無機材料(比較例2:AcAc及びAPSの双方共に処理を行っていない無機材料)とを用意した。双方共に加えない場合にはZrO2が生成し白色の粒子になった。AcACが存在しないので粒子が粗大化して、10nmのオーダーになった。 As an inorganic material of a comparative example, an inorganic material prepared without adding APS (amount of APS added is 0) (Comparative Example 1: treated with AcAc and not treated with APS: due to the presence of AcAc A light yellow color) and an inorganic material prepared without adding both APS and AcAc (Comparative Example 2: Inorganic material in which neither AcAc nor APS were treated) were prepared. When neither was added, ZrO 2 was formed and turned into white particles. Since there was no AcAC, the particles became coarse and on the order of 10 nm.

(有機高分子材料(SPES)の合成)
SPESは3種類のモノマーを縮重合させることで合成した。3種のモノマーとしては、(A)3,3’−ジスルホン化−4,4’−ジクロロ−ジフェニルスルホンのナトリウム塩、(B)4,4’−ジクロロ−ジフェニルスルホン、(C)4,4’−ジヒドロキシジフェニルを採用した。(B)及び(C)の化合物は市販品を精製して用いた。(A)の化合物は(B)の化合物を発煙硫酸にて処理してスルホ基を導入して合成した。
(Synthesis of organic polymer materials (SPES))
SPES was synthesized by condensation polymerization of three types of monomers. As the three types of monomers, (A) 3,3′-disulfonated-4,4′-dichloro-diphenylsulfone sodium salt, (B) 4,4′-dichloro-diphenylsulfone, (C) 4,4 '-Dihydroxydiphenyl was adopted. The compounds (B) and (C) were used after purifying commercially available products. The compound (A) was synthesized by treating the compound (B) with fuming sulfuric acid and introducing a sulfo group.

Figure 2009043682
Figure 2009043682

有機高分子材料の重合反応は、(A)と(B)とのモル数の和が(C)のモル数と等しくなるように混合して行った。(A)と(B)との混合比を変えることでスルホン化度を調整した。ここで、(A)が100%で(B)が0%のときのスルホン化度を1、(A)が0%で(B)が100%のときのスルホン化度を0とした。有機高分子材料としては幾つかのスルホン化度のものを調製した。   The polymerization reaction of the organic polymer material was performed by mixing so that the sum of the number of moles of (A) and (B) was equal to the number of moles of (C). The degree of sulfonation was adjusted by changing the mixing ratio of (A) and (B). Here, the degree of sulfonation when (A) was 100% and (B) was 0% was 1, and the degree of sulfonation when (A) was 0% and (B) was 100% was 0. Organic polymer materials having several degrees of sulfonation were prepared.

所定のスルホン化度になるように、(A)と(B)とのモル比を調整した混合物のモル量と、(C)のモル量とを1:1になるように調整し、更に、(C)のモル量の1.25倍量の炭酸カリウムを加えて不活性雰囲気下、窒素をバブリングしながら180℃で重合反応を40時間程度行った。溶媒は1−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用い、(A)、(B)及び(C)の化合物が15質量%になるように調整した。   The molar amount of the mixture in which the molar ratio of (A) and (B) is adjusted to a predetermined degree of sulfonation and the molar amount of (C) are adjusted to 1: 1, A polymerization reaction was carried out at 180 ° C. for about 40 hours while bubbling nitrogen under an inert atmosphere by adding 1.25 times the amount of potassium carbonate (C). As a solvent, 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was used, and the compounds of (A), (B) and (C) were adjusted to 15% by mass.

得られた生成物に過剰量の8.2M塩酸を加えてイオン交換を行った。イソプロピルアルコール中に生成物を投入して再沈殿を行い、乾燥し、精製水で洗浄を行った後に真空乾燥を行うことで有機高分子材料を得た。   An excess amount of 8.2 M hydrochloric acid was added to the obtained product to perform ion exchange. The product was put into isopropyl alcohol, reprecipitated, dried, washed with purified water, and then vacuum dried to obtain an organic polymer material.

(有機−無機ハイブリッド電解質の製造)
各実施例及び比較例の無機材料とSPESとのそれぞれについて、質量基準で20%、0.5%になるようにNMPに溶解させて溶液とした(有機高分子材料溶解工程、改質無機材料溶解工程)。ここで、NMPは混合工程用溶媒として用いられており、有機高分子材料を溶解する極性有機溶媒と改質無機材料を溶解する極性有機溶媒とが同一になっている。
(Manufacture of organic-inorganic hybrid electrolyte)
Each of the inorganic materials and SPES of each Example and Comparative Example was dissolved in NMP so as to be 20% and 0.5% on a mass basis to obtain a solution (organic polymer material dissolving step, modified inorganic material Dissolution step). Here, NMP is used as a solvent for the mixing step, and the polar organic solvent that dissolves the organic polymer material and the polar organic solvent that dissolves the modified inorganic material are the same.

SPESの溶液に対して、各実施例及び比較例の無機材料の溶液を等質量加えて混合することで分散させた。   The SPES solution was dispersed by adding an equal mass of the inorganic material solution of each example and comparative example and mixing.

(評価)
(無機材料の体積平均粒径)
Zr(OBt)2のモル量を基準として、AcAcの添加量比が1.2の場合でのNMP中における体積平均粒径は、APSの添加量比が0のときには1.0nm、0.5のときには2.2nm、0.75のときには6.7nm、1.0のときには2.5nmであった。
(Evaluation)
(Volume average particle size of inorganic material)
Based on the molar amount of Zr (OBt) 2 , the volume average particle diameter in NMP when the AcAc addition amount ratio is 1.2 is 1.0 nm and 0.5 nm when the APS addition amount ratio is 0. Was 2.2 nm, 0.75 when 0.75, and 2.5 nm when 1.0.

また、他日の実験結果ではSPESと混合する前の無機材料溶液中に含まれる粒子の体積平均粒径はAPSの添加が無い場合に2.2nm、APSを1.0添加した場合には2.7nmであり、SPES溶液を混合した後の体積平均粒径はAPSの添加が無い場合に12.2nm、APSを1.0添加した場合には4.8nmであった。つまり、APSを導入することで、SPESとの間の相互作用が強くなって粒径が小さくなったものと考えられる。   Further, in the experimental results of other days, the volume average particle size of the particles contained in the inorganic material solution before mixing with SPES is 2.2 nm when APS is not added, and 2 when APS is added. The volume average particle size after mixing the SPES solution was 12.2 nm when no APS was added, and 4.8 nm when 1.0 APS was added. That is, by introducing APS, it is considered that the interaction with SPES is strengthened and the particle size is reduced.

(混合工程後の混合・分散の様子の観察)
APSを0.5、0.75、1.0添加した実施例の無機材料を用いると、溶液濃度が20質量%であっても、0.5質量%であっても混合後、透明な均一な溶液が得られた。また、SPESのスルホン化度に関わらずに混合後、透明な均一な溶液が得られた。
(Observation of mixing / dispersion after mixing process)
When the inorganic material of the example added with APS of 0.5, 0.75, 1.0 is used, even if the solution concentration is 20% by mass or 0.5% by mass, it is transparent and uniform after mixing. Solution was obtained. Moreover, a transparent and uniform solution was obtained after mixing irrespective of the sulfonation degree of SPES.

それに対して、比較例1の無機材料を用いると、溶液の濃度が20質量%のときには透明な均一溶液が得られるが、溶液の濃度が0.5質量%のときには凝集体が析出し透明な均一溶液が得られなかった。また、SPESのスルホン化度の程度によっては凝集体が析出し透明な均一溶液が得られないことがあった。つまり、本実施例の無機材料を用いると広い範囲のスルホン化度において透明な均一溶液を調製することが可能であった。また、SPESの分子量を変化させた場合についても検討したが、本実施例の無機材料を採用すると、比較例1よりも広い分子量範囲にて透明な均一溶液を調製可能であった。そして、電解質の性能としては比較例1よりも実施例の方が高い性能を示した。   On the other hand, when the inorganic material of Comparative Example 1 is used, a transparent uniform solution can be obtained when the concentration of the solution is 20% by mass. However, when the concentration of the solution is 0.5% by mass, aggregates are precipitated and are transparent. A homogeneous solution was not obtained. Further, depending on the degree of SPES sulfonation, aggregates may precipitate and a transparent uniform solution may not be obtained. That is, when the inorganic material of this example was used, it was possible to prepare a transparent uniform solution in a wide range of sulfonation degrees. Moreover, although the case where the molecular weight of SPES was changed was also examined, when the inorganic material of this example was employed, a transparent uniform solution could be prepared in a molecular weight range wider than that of Comparative Example 1. As for the performance of the electrolyte, the example showed higher performance than the comparative example 1.

すなわち、APSに接触させた各実施例の無機材料はAPSにて処理を行っていない比較例1に比べてSPESの溶液と混合したときに、透明な均一溶液になる条件の範囲が拡がっていること、更には、同様に透明な均一溶液が得られた場合であってもAPSにて処理を行うことで、より高度な分散状態が実現されていることが明らかになった。   That is, the range of conditions for the inorganic material of each example brought into contact with APS to become a transparent uniform solution when mixed with the SPES solution is broader than that of Comparative Example 1 in which treatment with APS is not performed. In addition, it has been clarified that even when a transparent uniform solution is obtained in the same manner, a higher dispersion state is realized by performing the treatment with APS.

ここで、AcAc及びAPSの双方共に処理を行っていない比較例2の無機材料を用いると、比較例1の無機材料を用いた場合よりも更に透明な均一溶液が調製できる条件の範囲が狭くなった。   Here, when the inorganic material of Comparative Example 2 in which neither AcAc nor APS is treated is used, the range of conditions under which a transparent uniform solution can be prepared is narrower than when the inorganic material of Comparative Example 1 is used. It was.

(電解質膜の作成)
各実施例及び比較例の均一に混合された混合溶液を表面が平滑なガラス板上に薄く延ばした。その後、90℃で3時間以上乾燥させることで製膜を行った。得られた膜を2Mのリン酸水溶液中に浸漬し、80℃で12時間以上反応させた後、充分に水洗した。なお、比較例1及び2の混合溶液から作成した膜と比較して、実施例の混合溶液から作成した膜は、電解質としての性能に優れていることが明らかになった。これは、実施例における無機材料と有機高分子材料との混合・分散が比較例1及び2よりも高度に実現できたことに起因するものと考えられる。例えば、実施例の電解質では活性化工程を行わなくても比較例1や比較例2の電解質よりも高い性能を発揮する電解質が得られる場合もあった。
(Creation of electrolyte membrane)
The uniformly mixed solution of each example and comparative example was thinly spread on a glass plate having a smooth surface. Then, it formed into a film by making it dry at 90 degreeC for 3 hours or more. The obtained film was immersed in a 2M phosphoric acid aqueous solution, reacted at 80 ° C. for 12 hours or more, and then thoroughly washed with water. In addition, compared with the film | membrane produced from the mixed solution of the comparative examples 1 and 2, it became clear that the film | membrane produced from the mixed solution of the Example was excellent in the performance as an electrolyte. This is considered to be due to the fact that the mixing and dispersion of the inorganic material and the organic polymer material in the examples can be realized to a higher degree than in Comparative Examples 1 and 2. For example, in the electrolyte of the example, an electrolyte exhibiting higher performance than the electrolytes of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 may be obtained without performing the activation step.

(活性化工程の評価)
リン酸水溶液中に浸漬することで、ZrO2に導入されたAcAc及びAPSが脱離すること、そして、リン酸ジルコニウムが生成することを確認した。具体的には各実施例の無機材料について、リン酸水溶液中に浸漬した後、洗浄した試料と、そのままの試料とについてTG−MSにて熱分解挙動を調べた。リン酸水溶液による処理を行っていない試料では、200〜300℃程度にてAcAcの脱離に由来するピークが観測され、400℃付近ではAPS由来のピークが観測されたのに対して、リン酸水溶液にて処理した試料においてはAcAcに由来するピークもAPSに由来するピークも観測されなかった。更に、X線回折による評価により、リン酸ジルコニウムが生成していることが確認できた。同様に、SPESと混合して製造した有機−無機ハイブリッド電解質についてもリン酸水溶液中に浸漬することでAcAc及びAPSが脱離し、リン酸ジルコニウムが生成していることを確認している。
(Evaluation of activation process)
It was confirmed that by immersing in a phosphoric acid aqueous solution, AcAc and APS introduced into ZrO 2 were desorbed, and zirconium phosphate was produced. Specifically, the thermal decomposition behavior of the inorganic material of each example was examined by TG-MS for the washed sample and the sample as it was after being immersed in a phosphoric acid aqueous solution. In the sample not treated with the phosphoric acid aqueous solution, a peak derived from the elimination of AcAc was observed at about 200 to 300 ° C., and a peak derived from APS was observed around 400 ° C., whereas phosphoric acid was observed. In the sample treated with the aqueous solution, neither a peak derived from AcAc nor a peak derived from APS was observed. Furthermore, it has confirmed that the zirconium phosphate was producing | generating by evaluation by X-ray diffraction. Similarly, it is confirmed that AcAc and APS are desorbed and zirconium phosphate is formed by immersing the organic-inorganic hybrid electrolyte produced by mixing with SPES in an aqueous phosphoric acid solution.

Claims (13)

イオン伝導性基をもつ有機高分子材料と、
前記有機高分子材料に親和性をもつ、1種の又は2種以上の極性有機溶媒である混合工程用溶媒と、
前記極性有機溶媒に親和性をもつ改質用有機材料を表面に導入する表面改質剤及び前記イオン伝導性基に対して静電相互作用により引力を生じる修飾基を表面に導入する表面修飾剤を無機材料前駆体に接触させて得られる改質無機材料と、
を混合・分散する混合工程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の製造方法。
An organic polymer material having an ion conductive group;
A solvent for the mixing process that is one or more polar organic solvents having affinity for the organic polymer material;
A surface modifier for introducing a modifying organic material having an affinity for the polar organic solvent to the surface and a surface modifying agent for introducing a modifying group that causes attraction to the ion conductive group by electrostatic interaction to the surface A modified inorganic material obtained by contacting an inorganic material precursor with
The manufacturing method of the organic-inorganic hybrid electrolyte characterized by having the mixing process which mixes and disperse | distributes.
前記混合工程は、
前記混合工程用溶媒の一部に前記有機高分子材料を溶解する有機高分子材料溶解工程と、
前記表面改質剤及び前記表面修飾剤を前記無機材料前駆体に反応させて前記改質無機材料を得る改質・修飾工程と、
前記混合工程用溶媒の残部に前記改質無機材料を溶解する改質無機材料溶解工程と、
前記有機高分子材料溶液と前記改質無機材料溶液とを混合する溶液混合工程と、
を有する請求項1に記載の有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法。
The mixing step includes
An organic polymer material dissolving step for dissolving the organic polymer material in a part of the solvent for the mixing step;
A modification / modification step of obtaining the modified inorganic material by reacting the surface modifier and the surface modifier with the inorganic material precursor;
A modified inorganic material dissolving step for dissolving the modified inorganic material in the remainder of the solvent for the mixing step;
A solution mixing step of mixing the organic polymer material solution and the modified inorganic material solution;
The manufacturing method of the organic-inorganic hybrid electrolyte of Claim 1 which has these.
前記混合工程後に、前記混合工程用溶媒を除去する溶媒除去工程と、
前記改質用有機材料及び/又は前記修飾基を除去する活性化工程とを有する請求項1又は2に記載の有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法。
After the mixing step, a solvent removing step for removing the solvent for the mixing step;
The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 1, further comprising an activation step of removing the modifying organic material and / or the modifying group.
前記有機高分子材料がもつ前記イオン伝導性基はプロトン供与性基である請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the ion conductive group of the organic polymer material is a proton donating group. 前記イオン伝導性基はスルホ基であり、
前記修飾基はアミノ基である請求項1〜4のいずれか1項に記載の有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法。
The ion conductive group is a sulfo group,
The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to any one of claims 1 to 4, wherein the modifying group is an amino group.
前記表面修飾剤はシランカップリング剤である請求項1〜5のいずれか1項に記載の有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to any one of claims 1 to 5, wherein the surface modifier is a silane coupling agent. 前記表面修飾剤は3−アミノプロピルジメチルエトキシシランである請求項6に記載の有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法。   The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 6, wherein the surface modifier is 3-aminopropyldimethylethoxysilane. 前記無機材料前駆体はジルコニウム、チタン、セリウム、ウラン、スズ、バナジウム、ニオブ、アンチモン及びカルシウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む金属アルコキシドであり、
前記改質・修飾工程は前記金属アルコキシドを前記シランカップリング剤の存在下、前記金属アルコキシドを加水分解する工程である請求項6又は7に記載の有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法。
The inorganic material precursor is a metal alkoxide containing at least one element selected from the group consisting of zirconium, titanium, cerium, uranium, tin, vanadium, niobium, antimony and calcium,
The method for producing an organic-inorganic hybrid electrolyte according to claim 6 or 7, wherein the modifying / modifying step is a step of hydrolyzing the metal alkoxide in the presence of the silane coupling agent.
前記表面改質剤はアセト酢酸エステル類、1,3−ジケトン及びアセトアセタミド類からなる群から選択される少なくとも1種の化合物である請求項1〜8のいずれか1項に記載の有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法。   The organic-inorganic hybrid according to any one of claims 1 to 8, wherein the surface modifier is at least one compound selected from the group consisting of acetoacetic esters, 1,3-diketone and acetoacetamides. Manufacturing method of electrolyte. 前記活性化工程はリン酸、硫酸、発煙硫酸、塩酸、硝酸、過塩素酸、亜硫酸及び亜硝酸からなる群から選択される少なくとも1種である酸を接触させる工程である請求項3〜9のいずれか1項に記載の有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法。   The activation step is a step of contacting an acid which is at least one selected from the group consisting of phosphoric acid, sulfuric acid, fuming sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, perchloric acid, sulfurous acid and nitrous acid. The manufacturing method of the organic-inorganic hybrid electrolyte of any one of Claims 1. 前記無機材料前駆体はジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、ニオブ化合物、アンチモン化合物、カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選択される少なくとも1種である請求項1〜10のいずれか1項に記載の有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法。   The inorganic material precursor is at least one selected from the group consisting of zirconium compounds, titanium compounds, cerium compounds, uranium compounds, tin compounds, vanadium compounds, niobium compounds, antimony compounds, calcium hydroxyapatite, and hydrated calcium hydroxyapatite. It is a seed | species, The manufacturing method of the organic-inorganic hybrid electrolyte of any one of Claims 1-10. 前記極性有機溶媒はN,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1−メチルピロリドン、N−メチルアセトアミド及びN,N−ジメチルアセトアミドからなる群から選択される1以上の化合物である請求項1〜11のいずれか1項に記載の有機−無機ハイブリッド電解質の製造方法。   The polar organic solvent is one or more compounds selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone, N-methylacetamide and N, N-dimethylacetamide. The manufacturing method of the organic-inorganic hybrid electrolyte of any one of Claims 1. アニオンであるイオン伝導性基をもつ有機高分子材料と、
改質用有機材料を表面に導入する表面改質剤及び前記イオン伝導性基に対して静電相互作用により引力を生じるカチオンをもつ修飾基を表面に導入する表面修飾剤を無機材料前駆体に接触させて得られ且つ前記有機高分子材料に混合・分散されている改質無機材料と、
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。
An organic polymer material having an ion conductive group which is an anion;
Surface modifying agent for introducing a modifying organic material on the surface and surface modifying agent for introducing a modifying group having a cation that generates an attractive force by electrostatic interaction with the ion conductive group on the surface is used as an inorganic material precursor. A modified inorganic material obtained by contact and mixed and dispersed in the organic polymer material;
An organic-inorganic hybrid electrolyte characterized by comprising:
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