JP2009076331A - Polymer nanosheet integrated electrolyte membrane - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer nanosheet integrated electrolyte membrane having high gas barrier properties and low proton conductive resistance. <P>SOLUTION: The polymer nanosheet integrated electrolyte membrane is composed of a laminated membrane obtained by developing and compressing an amphipatic polymer having an acid group on the water surface to form a monomolecular membrane, and by accumulating monomolecular membranes on a substrate. The amphipatic polymer having the acid group is preferably a copolymer of alkylacrylamide monomer, perfluoroalkyl acrylamide monomer, alkylmethacrylamide monomer or perfluoroalkyl methacrylamide monomer with the carbon number of 4 or more, and sulfonic acid content acrylic monomer. Moreover, the polymer nanosheet integrated electrolyte membrane is preferably obtained by heat-treating the laminated membrane at the glass transition temperature or more. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、高分子ナノシート集積電解質膜に関し、さらに詳しくは、酸基を有する高分子鎖を最密パッキングさせたナノシートを積層することにより得られる高分子ナノシート集積電解質膜に関する。   The present invention relates to a polymer nanosheet-integrated electrolyte membrane, and more particularly, to a polymer nanosheet-integrated electrolyte membrane obtained by laminating nanosheets in which polymer chains having acid groups are closely packed.

疎水性部分と親水性部分とを併せ持つ有機化合物(両親媒性物質)を水面上に滴下すると、両親媒性物質は、親水性部分を水の側に向けた状態で水面一杯に拡がり、薄い膜となる。このような膜は、水面上単分子膜又はLangmuir膜(L膜)と呼ばれている。水面上に拡がったL膜を平面方向に圧縮し、L膜の面積を小さくしていくと、L膜は、やがて水面上に展開した分子が密に充填された「二次元固体」の状態となる。さらに、水面上に単分子膜を展開させ、単分子膜を固体状態に保ったまま水中に基板を沈める操作及び水中から基板を引き上げる操作を繰り返すと、疎水性部分同士及び親水性部分同士がそれぞれ互いに向き合った状態で、単分子膜を基板上に次々と写し取ることができる。得られた膜は、単分子累積膜又はLangmuir-Blodgett膜(LB膜)と呼ばれている。   When an organic compound (amphiphile) having both a hydrophobic part and a hydrophilic part is dropped onto the water surface, the amphiphile spreads to the surface of the water with the hydrophilic part facing the water, and a thin film It becomes. Such a film is called a monomolecular film on the water surface or a Langmuir film (L film). When the L film spreading on the water surface is compressed in the plane direction and the area of the L film is reduced, the L film eventually becomes a “two-dimensional solid” state in which molecules that have spread on the water surface are densely packed. Become. Furthermore, when the monomolecular film is developed on the water surface, and the operation of sinking the substrate in water and the operation of pulling up the substrate from the water while keeping the monomolecular film in a solid state is repeated, the hydrophobic parts and the hydrophilic parts are respectively The monomolecular film can be copied onto the substrate one after another while facing each other. The obtained film is called a monomolecular cumulative film or a Langmuir-Blodgett film (LB film).

LB法は、従来、低分子の有機化合物に対して適用されるのが一般的であった。得られたLB膜は、回折格子や、オプティカルイオンセンサ、ガスセンサ、バイオセンサなどに応用され初めている。
さらに、LB法を無機化合物に応用した例も知られている。例えば、特許文献1には、
(1) スクメタイト系粘土の層間イオンを疎水性の長鎖高分子イオンと交換することにより層間を膨潤剥離させ、これと同時に表面に疎水性を付与し、
(2) 疎水化したスクメタイト系粘土鉱物をクロロホルム中に分散させ、
(3) この分散液を水面上に滴下して展開し、水面上に膜を形成し、
(4) 得られた膜を疎水化した基板上に複数回積層する、
層状粒子薄膜の製造方法が開示されている。
同文献には、このような方法により、複雑な組成や構造を持つ無機化合物の薄膜が得られる点が記載されている。
Conventionally, the LB method has been generally applied to low molecular organic compounds. The obtained LB film has begun to be applied to diffraction gratings, optical ion sensors, gas sensors, biosensors, and the like.
Furthermore, an example in which the LB method is applied to an inorganic compound is also known. For example, Patent Document 1 discloses that
(1) The interlaminar ions of the sukumetite clay are exchanged with hydrophobic long-chain polymer ions to swell and exfoliate the interlaminar layers, and at the same time impart hydrophobicity to the surface,
(2) Disperse hydrophobized sukumite clay mineral in chloroform,
(3) The dispersion is dropped onto the water surface and developed to form a film on the water surface;
(4) Laminating the obtained film a plurality of times on a hydrophobized substrate;
A method for producing a layered particle thin film is disclosed.
This document describes that a thin film of an inorganic compound having a complicated composition and structure can be obtained by such a method.

特開平8−57406号公報JP-A-8-57406

固体高分子電解質膜は、燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられている。固体高分子電解質膜には、用途に応じて各種の材料が用いられている。例えば、固体高分子型燃料電池用の電解質膜には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、スルホン化芳香族電解質などのスルホン酸系電解質膜が用いられている。   Solid polymer electrolyte membranes are used in various electrochemical devices such as fuel cells, water electrolysis devices, hydrohalic acid electrolysis devices, salt electrolysis devices, oxygen and / or hydrogen concentrators, humidity sensors, and gas sensors. Various materials are used for the solid polymer electrolyte membrane according to the application. For example, sulfonic acid electrolyte membranes such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and sulfonated aromatic electrolytes are used as electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells.

この種の電解質膜は、従来から、溶融延伸法、キャスト法、スピンコート法などにより製造するのが一般的である。しかしながら、従来の方法では、膜中の高分子がランダムコイル状となるために、自由体積が増え、高密度でかつ均質な薄膜を得るのが難しいという問題がある。電解質膜の密度や均質性の低下は、ガスバリア性を低下させる原因となる。一方、ガスバリア性を向上させるために膜厚を増加させると、膜のプロトン伝導抵抗が増加する。
さらに、低分子化合物や無機物に対してLB法を適用すると、均質かつ緻密で、厚さが極めて薄い超薄膜を得ることができる。しかしながら、高分子電解質に対してLB法を適用した例は、従来にはない。
Conventionally, this type of electrolyte membrane is generally manufactured by a melt stretching method, a casting method, a spin coating method, or the like. However, in the conventional method, since the polymer in the film becomes a random coil shape, there is a problem that the free volume increases and it is difficult to obtain a high-density and homogeneous thin film. A decrease in the density and homogeneity of the electrolyte membrane causes a decrease in gas barrier properties. On the other hand, when the film thickness is increased in order to improve the gas barrier property, the proton conduction resistance of the film increases.
Furthermore, when the LB method is applied to a low molecular compound or an inorganic substance, an ultrathin film that is homogeneous and dense and has an extremely small thickness can be obtained. However, there has never been an example in which the LB method is applied to a polymer electrolyte.

本発明が解決しようとする課題は、ガスバリア性が高く、かつ低いプロトン伝導抵抗を有する高分子ナノシート集積電解質膜を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、均質性及び緻密性が高い高分子ナノシート集積電解質膜を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a polymer nanosheet integrated electrolyte membrane having a high gas barrier property and a low proton conduction resistance.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a polymer nanosheet integrated electrolyte membrane having high homogeneity and denseness.

上記課題を解決するために本発明に係る高分子ナノシート集積電解質膜は、酸基を有する両親媒性ポリマーを水面上に展開・圧縮して単分子膜を形成し、前記単分子膜を基板上に累積させることにより得られる積層膜からなる。
高分子集積ナノシート電解質膜は、さらに、前記積層膜をガラス転移温度以上で熱処理することにより得られるものが好ましい。
In order to solve the above problems, a polymer nanosheet-integrated electrolyte membrane according to the present invention forms an monomolecular film by developing and compressing an amphiphilic polymer having an acid group on a water surface, and the monomolecular film is formed on a substrate. It is made of a laminated film obtained by accumulating in the above.
The polymer integrated nanosheet electrolyte membrane is preferably obtained by heat-treating the laminated film at a glass transition temperature or higher.

酸基を有する両親媒性ポリマーに対してLB法を適用すると、高密度かつ均質な薄膜を得ることができる。これは、水面上に展開した膜が圧縮されることによって、高分子が最密パッキングされるためと考えられる。さらに、得られた積層膜に対して所定の条件下で熱処理すると、プロトン伝導抵抗がさらに低下する。これは、熱処理によって、親水性部分が相分離するためと考えられる。   When the LB method is applied to an amphiphilic polymer having an acid group, a high-density and homogeneous thin film can be obtained. This is considered to be because the polymer is most closely packed by compressing the membrane developed on the water surface. Furthermore, when the obtained laminated film is heat-treated under predetermined conditions, the proton conduction resistance is further reduced. This is presumably because the hydrophilic portion is phase-separated by the heat treatment.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
本発明に係る高分子ナノシート集積電解質は、酸基を有する両親媒性ポリマーを水面上に展開・圧縮して単分子膜を形成し、単分子膜を基板上に累積させることにより得られる積層膜からなる。
なお、本発明において、「積層膜」というときは、累積総数から膜厚を決定できる(XRDの反射が観察される)いわゆる「LB膜」だけでなく、累積総数から膜厚を決定できないナノ薄膜の積層体も含まれる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
The polymer nanosheet integrated electrolyte according to the present invention is a laminated film obtained by developing and compressing an amphiphilic polymer having an acid group on a water surface to form a monomolecular film, and accumulating the monomolecular film on a substrate. Consists of.
In the present invention, the term “laminated film” refers to not only a so-called “LB film” in which the film thickness can be determined from the cumulative total number (XRD reflection is observed), but also a nano thin film in which the film thickness cannot be determined from the cumulative total number. These laminates are also included.

「両親媒性ポリマー」とは、側鎖に親水性部分及び疎水性部分を有するポリマーをいう。親水性部分は、主鎖側にあっても良く、あるいは、側鎖の末端側にあっても良い。すなわち、両親媒性ポリマーは、親水性部分及び疎水性部分を有する側鎖が親水性部分の近傍において主鎖に結合しているものでも良く、あるいは、疎水性部分の近傍において主鎖に結合しているものでも良い。
親水性部分としては、アミド基(−CO−NH−)、水酸基(−OH)、4級アンモニウム基(−N+3、Rは、アルキル基等)、カルボキシル基(−COOH)、スルホン酸基(−SO3H)、リン酸基(−P(OH)2)などがある。特に、アミド基は、水素結合によって分子が最密パッキングされやすいので、親水性部分として好適である。
疎水性部分としては、炭素数が4以上のアルキル基、フルオロアルキル基、置換フェニル基などがある。
主鎖及び側鎖は、特に限定されるものではなく、種々の構造を取ることができる。例えば、主鎖及び側鎖は、それぞれ、C−F結合又はC−H結合のいずれか一方を有するものでも良く、あるいは、双方を有するものでも良い。また、主鎖及び側鎖は、それぞれ、C−F結合及び/又はC−H結合に加えて、クロロカーボン構造(−CCl2−)や、その他の構造(例えば、−O−、−S−、−C(=O)−、−N(R)−等。但し、「R」は、アルキル基)を備えていてもよい。
“Amphiphilic polymer” refers to a polymer having a hydrophilic part and a hydrophobic part in the side chain. The hydrophilic portion may be on the main chain side or on the terminal side of the side chain. That is, the amphiphilic polymer may have a side chain having a hydrophilic part and a hydrophobic part bonded to the main chain in the vicinity of the hydrophilic part, or may be bonded to the main chain in the vicinity of the hydrophobic part. It may be what you have.
Examples of the hydrophilic portion include an amide group (—CO—NH—), a hydroxyl group (—OH), a quaternary ammonium group (—N + R 3 , R is an alkyl group, etc.), a carboxyl group (—COOH), and a sulfonic acid. Groups (—SO 3 H), phosphate groups (—P (OH) 2 ), and the like. In particular, an amide group is suitable as a hydrophilic portion because the molecules are likely to be closely packed by hydrogen bonding.
Examples of the hydrophobic moiety include an alkyl group having 4 or more carbon atoms, a fluoroalkyl group, and a substituted phenyl group.
The main chain and the side chain are not particularly limited, and can have various structures. For example, the main chain and the side chain may each have either a C—F bond or a C—H bond, or may have both. In addition to the C—F bond and / or the C—H bond, the main chain and the side chain are each composed of a chlorocarbon structure (—CCl 2 —) and other structures (eg, —O—, —S—). , -C (= O)-, -N (R)-, etc., provided that "R" is an alkyl group).

「酸基を有する両親媒性ポリマー」とは、両親媒性ポリマーの側鎖に、酸基が導入されたものをいう。酸基は、親水性部分及び疎水性部分を有する側鎖に導入されていても良く、あるいは、これとは異なる側鎖に導入されていても良い。
両親媒性ポリマーに導入される酸基の種類は、特に限定されるものではない。酸基としては、具体的には、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、スルホンイミド基等がある。両親媒性ポリマーには、これらの酸基の内、いずれか1種類のみが含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
両親媒性ポリマーに導入される酸基量は、目的に応じて任意に選択することができる。一般に、酸基量が多くなるほど、プロトン伝導抵抗を低くすることができる。
The “amphiphilic polymer having an acid group” refers to an acid group introduced into the side chain of the amphiphilic polymer. The acid group may be introduced into a side chain having a hydrophilic part and a hydrophobic part, or may be introduced into a different side chain.
The kind of acid group introduced into the amphiphilic polymer is not particularly limited. Specific examples of the acid group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a sulfonimide group. The amphiphilic polymer may contain only one of these acid groups, or may contain two or more.
The amount of acid groups introduced into the amphiphilic polymer can be arbitrarily selected according to the purpose. In general, the proton conduction resistance can be lowered as the amount of acid groups increases.

酸基を有する両親媒性ポリマーは、種々の方法により製造することができる。特に、LB膜形成能(すなわち、親水性部分及び疎水性部分を有するもの)及び不飽和結合を有するモノマー(両親媒性モノマー)と、酸基及び不飽和結合を有するモノマーとを共重合させる方法が好適である。両親媒性モノマーと酸基を有するモノマーの共重合方法は、特に限定されるものではなく、周知の方法を用いることができる。   The amphiphilic polymer having an acid group can be produced by various methods. In particular, a method of copolymerizing a monomer having an LB film-forming ability (that is, having a hydrophilic part and a hydrophobic part) and an unsaturated bond (amphiphilic monomer) with a monomer having an acid group and an unsaturated bond Is preferred. The copolymerization method of the amphiphilic monomer and the monomer having an acid group is not particularly limited, and a known method can be used.

両親媒性モノマーとしては、具体的には、炭素数が4以上であるアルキルアクリルアミドモノマー、炭素数が4以上であるペルフルオロアルキルアクリルアミドモノマー、炭素数が4以上であるアルキルメタクリルアミドモノマー、炭素数が4以上であるペルフルオロアルキルメタクリルアミドモノマーなどがある。
アルキルアクリルアミドモノマーとしては、具体的には、
(1)N−ドデシルアクリルアミド(pDDA)モノマー、
(2)tert−ペンチルアクリルアミド(ptPA)モノマー、
(3)アダマンチルアクリルアミド(pADA)モノマー、
などがある。
ペルフルオロアルキルアクリルアミドモノマーとしては、具体的には、
(4)N−(1H、1H−ペンタデカフルオロオクチル)アクリルアミド(pC7F15AA)モノマー、
(5)(2−(ペルフルオロオクチル)エチル)アクリルアミド(pC8F17AA)モノマーなどがある。
アルキルメタクリルアミドモノマーとしては、具体的には、
(6)N−テトラデシルメタクリルアミド(pTDMA)モノマー、
(7)neo−ペンチルメタクリルアミド(pnPMA)モノマー、
などがある。
ペルフルオロアルキルメタクリルアミドモノマーとしては、具体的には、
(8)N−(1H、1H−ペンタデカフルオロオクチル)メタクリルアミド(pC7F15MA)モノマー、
などがある。
Specific examples of the amphiphilic monomer include alkyl acrylamide monomers having 4 or more carbon atoms, perfluoroalkyl acrylamide monomers having 4 or more carbon atoms, alkyl methacrylamide monomers having 4 or more carbon atoms, and carbon numbers. And perfluoroalkyl methacrylamide monomers that are 4 or more.
As alkyl acrylamide monomer, specifically,
(1) N-dodecylacrylamide (pDDA) monomer,
(2) tert-pentylacrylamide (ptPA) monomer,
(3) adamantylacrylamide (pADA) monomer,
and so on.
As a perfluoroalkyl acrylamide monomer, specifically,
(4) N- (1H, 1H-pentadecafluorooctyl) acrylamide (pC7F15AA) monomer,
(5) (2- (perfluorooctyl) ethyl) acrylamide (pC8F17AA) monomer and the like.
Specifically, as the alkyl methacrylamide monomer,
(6) N-tetradecyl methacrylamide (pTDMA) monomer,
(7) neo-pentyl methacrylamide (pnPMA) monomer,
and so on.
Specific examples of perfluoroalkyl methacrylamide monomers include:
(8) N- (1H, 1H-pentadecafluorooctyl) methacrylamide (pC7F15MA) monomer,
and so on.

酸基を有するモノマーとしては、具体的には、
(1) スルホン酸含有モノマー(例えば、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸モノマーなど)、
(2) スチレンスルホン酸モノマー、
(3) リン酸基あるいはホスホン酸基を有するアクリルモノマー、
などがある。
As the monomer having an acid group, specifically,
(1) a sulfonic acid-containing monomer (for example, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid monomer),
(2) styrene sulfonic acid monomer,
(3) an acrylic monomer having a phosphoric acid group or a phosphonic acid group,
and so on.

これらの中でも、酸基を有する両親媒性ポリマーは、炭素数が4以上であるアルキルアクリルアミドモノマーと、スルホン酸含有モノマーとの共重合体が好ましい。
また、酸基を有する両親媒性ポリマーは、N−ドデシルアルキルアクリルアミドモノマーと、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸モノマーとの共重合体が好ましい。
Among these, the amphiphilic polymer having an acid group is preferably a copolymer of an alkylacrylamide monomer having 4 or more carbon atoms and a sulfonic acid-containing monomer.
The amphiphilic polymer having an acid group is preferably a copolymer of an N-dodecylalkylacrylamide monomer and a 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid monomer.

両親媒性モノマー及び酸基を有するモノマーは、市販されているか、あるいは、類似の分子構造を有するモノマーに周知の方法を適用することにより製造することができる。   The amphiphilic monomer and the monomer having an acid group are commercially available, or can be produced by applying a well-known method to a monomer having a similar molecular structure.

酸基を有する両親媒性ポリマーを適当な溶媒(例えば、クロロホルムなど)に溶解させて溶液とし、この溶液を水面上に滴下すると、酸基を有する両親媒性ポリマーは、疎水性部分を空気の側に向けた状態で水面一杯に拡がり、薄いL膜となる。このL膜を平面方向に圧縮すると、水面上に展開したポリマーが二次元固体状態のL膜となる。
この状態から、表面を疎水化した基板(例えば、ガラス基板、シリコン基板など)を水中に沈めると、基板側に疎水性部分が向いた状態で、基板上に1層目のL膜を写し取ることができる。引き続き、基板を水中から引き上げると、基板表面に露出している親水性部分と、2層目のL膜の親水性部分とが向き合う状態で、基板上に2層目のL膜を写し取ることができる。以下、このような操作を繰り返すと、任意の厚さを有する積層膜を基板上に形成することができる。
得られた積層膜は、そのまま各種の用途に用いることができるが、得られた積層膜をさらにガラス転移温度以上の温度で熱処理しても良い。積層膜を所定の条件下で熱処理すると、プロトン伝導抵抗がさらに低下するという効果がある。
When an amphiphilic polymer having an acid group is dissolved in an appropriate solvent (for example, chloroform) to form a solution, and this solution is dropped on the water surface, the amphiphilic polymer having an acid group has a hydrophobic portion in the air. In the state facing the side, it spreads to the full water surface and becomes a thin L film. When this L film is compressed in the plane direction, the polymer developed on the water surface becomes a two-dimensional solid L film.
From this state, when a substrate having a hydrophobic surface (for example, a glass substrate, a silicon substrate, etc.) is submerged in water, the first L film is copied onto the substrate with the hydrophobic portion facing the substrate side. Can do. Subsequently, when the substrate is lifted from the water, the second L film can be copied onto the substrate in a state where the hydrophilic portion exposed on the substrate surface and the hydrophilic portion of the second L film face each other. it can. Hereinafter, when such an operation is repeated, a laminated film having an arbitrary thickness can be formed on the substrate.
The obtained laminated film can be used for various applications as it is, but the obtained laminated film may be further heat-treated at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature. When the laminated film is heat-treated under predetermined conditions, there is an effect that the proton conduction resistance is further reduced.

次に、本発明に係る高分子ナノシート集積電解質膜の作用について説明する。
酸基を有する両親媒性ポリマーに対してLB法を適用すると、高密度かつ均質な薄膜を得ることができる。これは、水面上に展開した膜が圧縮されることによって、高分子が最密パッキングされるためと考えられる。特に、アミド基を有する両親媒性ポリマーは、高密度かつ均一な薄膜を得やすい。これは、水素結合によって分子が最密パッキングしやすいためと考えられる。
さらに、得られた積層膜に対して所定の条件下で熱処理すると、プロトン伝導抵抗がさらに低下する。これは、熱処理によって、親水性部分が相分離するためと考えられる。
Next, the operation of the polymer nanosheet integrated electrolyte membrane according to the present invention will be described.
When the LB method is applied to an amphiphilic polymer having an acid group, a high-density and homogeneous thin film can be obtained. This is considered to be because the polymer is most closely packed by compressing the membrane developed on the water surface. In particular, an amphiphilic polymer having an amide group easily obtains a high-density and uniform thin film. This is presumably because the molecules are likely to be close packed by hydrogen bonds.
Furthermore, when the obtained laminated film is heat-treated under predetermined conditions, the proton conduction resistance is further reduced. This is presumably because the hydrophilic portion is phase-separated by the heat treatment.

(実施例1)
[1. 試料の作製]
[1.1 p(DDA/AMPS)の合成]
初めに、スキーム1のように、N−ドデシルアクリルアミド(DDA)と、末端にスルホン酸を有する2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPS)の共重合により、p(DDA/AMPS)を合成した。開始剤をAlBNとし、溶媒としてTHF/H2O混合溶液を用いて共重合を行った。モノマー濃度を0.2Mとし、開始剤濃度を0.004Mとして重合溶液を調製した。重合溶液を液体窒素で凍結させ、真空脱気、窒素置換の操作を3回繰り返して溶存酸素を取り除いた後、60℃の恒温槽で17h重合した。重合後、生成沈殿したポリマーを遠心分離により回収し、クロロホルムに溶解させ、アセトニトリルで再沈殿し、3000rpmで30min遠心分離することにより回収した。
共重合体組成は、微量元素分析(AMPSのS元素)により行った。分子量及び分散度は、GPCにより測定し、ポリスチレン換算で決定した。
Example 1
[1. Preparation of sample]
[1.1 Synthesis of p (DDA / AMPS)]
First, as shown in Scheme 1, p (DDA / AMPS) is synthesized by copolymerization of N-dodecylacrylamide (DDA) and 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS) having a sulfonic acid at its terminal. did. Copolymerization was performed using AlBN as the initiator and a THF / H 2 O mixed solution as the solvent. A polymerization solution was prepared with a monomer concentration of 0.2M and an initiator concentration of 0.004M. The polymerization solution was frozen with liquid nitrogen, vacuum degassing, and nitrogen substitution were repeated three times to remove dissolved oxygen, and then polymerized for 17 hours in a 60 ° C. constant temperature bath. After polymerization, the produced and precipitated polymer was collected by centrifugation, dissolved in chloroform, reprecipitated with acetonitrile, and collected by centrifugation at 3000 rpm for 30 minutes.
The copolymer composition was determined by trace element analysis (AMPS S element). The molecular weight and the degree of dispersion were measured by GPC and determined in terms of polystyrene.

Figure 2009076331
Figure 2009076331

[1.2 累積基板の表面処理]
ガラス又はシリコン基板をアセトン、クロロホルムで順次超音波洗浄した後、2−プロパノール中に30min浸漬した。次に、取り出した基板を25minオゾン洗浄(日本レーザ電子、UV−O3クリーナ)し、それを蒸留クロロホルム中に浸漬した。それにオクタデシルトリクロロシラン(OTS)(信越シリコーン)を数滴加え、30min放置することで表面の疎水処理を行った。反応後、基板を取り出してクロロホルムで超音波洗浄し、これを累積基板とした。
[1.2 Surface treatment of accumulated substrates]
The glass or silicon substrate was sequentially ultrasonically washed with acetone and chloroform, and then immersed in 2-propanol for 30 minutes. Next, the taken out substrate was subjected to ozone cleaning for 25 min (Nippon Laser Electronics, UV-O 3 cleaner), and immersed in distilled chloroform. A few drops of octadecyltrichlorosilane (OTS) (Shin-Etsu Silicone) were added thereto, and the surface was subjected to hydrophobic treatment by leaving it for 30 minutes. After the reaction, the substrate was taken out and ultrasonically washed with chloroform, and this was used as a cumulative substrate.

[1.3 π−A等温線の測定及びLB膜の作製]
π−A等温線の測定及びLB膜の作製には、ラングミュアートラフ(USI、FDS−110)を用いた。図1に、その概念図を示す。
合成したp(DDA/AMPS)コポリマーをクロロホルム(ドータイト、スペクトロゾール)に溶解させ、1mMのポリマー溶液を調製した。これをイオン交換水(18MΩ)で満たしたトラフ上に1滴ずつ滴下した後、溶媒を揮発させるために30min放置した。水面上に展開した単分子膜を一定速度14cm2/minでポリテトラフルオロエチレンバリアーにより圧縮し、同時にウィルヘルミィプレート法により表面圧をモニターすることで、π−A等温線を測定した。また、単分子膜の圧縮中は、恒温槽により温度を一定の状態にした。基板への累積は、所定の累積圧に達した後に30min静置し、転写速度10mm/minで基板を上下することで行った。また、基板下降後の静置時間を3min、基板上昇後の静置時間を50minとした。
[1.3 Measurement of π-A isotherm and production of LB film]
Langmuir Rough (USI, FDS-110) was used for the measurement of the π-A isotherm and the production of the LB film. FIG. 1 shows a conceptual diagram thereof.
The synthesized p (DDA / AMPS) copolymer was dissolved in chloroform (Dotite, Spectrozole) to prepare a 1 mM polymer solution. This was dropped dropwise onto a trough filled with ion-exchanged water (18 MΩ), and then allowed to stand for 30 minutes to evaporate the solvent. The monomolecular film developed on the water surface was compressed by a polytetrafluoroethylene barrier at a constant speed of 14 cm 2 / min, and simultaneously the surface pressure was monitored by the Wilhelmy plate method to measure the π-A isotherm. During the compression of the monomolecular film, the temperature was kept constant by a thermostatic bath. Accumulation on the substrate was carried out by standing for 30 minutes after reaching a predetermined accumulated pressure and moving the substrate up and down at a transfer speed of 10 mm / min. Further, the standing time after the substrate was lowered was 3 min, and the standing time after the substrate was raised was 50 min.

[2. 試験方法]
[2.1 原子間力顕微鏡(AFM)を用いた表面形状観察]
疎水処理したシリコン基板上に水面上単分子膜を所定層累積したものを測定サンプルとして、AFM(SII SPA−400)を用いてタッピングモードにより表面形状を観察した。表面の凹凸(Topoモード)像と位相差(Phaseモード)像により観察した。
[2.2 X線回折測定]
疎水処理したガラス基板上に水面上単分子膜を30層累積したものを測定サンプルとして、XRD測定によりp(DDA/AMPS)の配向状態を検討した(線源CuKα、波長0.154nm)。
[2. Test method]
[2.1 Surface shape observation using atomic force microscope (AFM)]
The surface shape was observed by a tapping mode using AFM (SII SPA-400), with a measurement sample obtained by accumulating a predetermined layer of a monomolecular film on a water surface on a hydrophobically treated silicon substrate. The observation was performed using a surface irregularity (Topo mode) image and a phase difference (Phase mode) image.
[2.2 X-ray diffraction measurement]
Using a sample obtained by accumulating 30 monolayers on the water surface on a hydrophobically treated glass substrate, the orientation state of p (DDA / AMPS) was examined by XRD measurement (source CuKα, wavelength 0.154 nm).

[3. 結果]
[3.1 p(DDA/AMPS)コポリマーの合成]
元素分析より、合成したp(DDA/AMPS)コポリマー中のAMPS含有率は15%であり、数平均分子量Mn=4000、分散度Mw/Mn=1.5であった。
図2に、n=0.15のp(DDA/AMPS)水面上単分子膜のπ−A曲線を示す。表面積の減少に伴い、鋭い表面圧の立ち上がりと高い崩壊圧を示しており、良好な水面上単分子膜が得られていることがわかった。これより、平均極限占有面積(Aaverage)が0.25nm2/モノマーユニットと求められた。なお、「平均極限占有面積」とは、表面圧の立ち上がりが一番鋭いところを0mN/mに補外したところの面積をいう。
[3. result]
[3.1 Synthesis of p (DDA / AMPS) Copolymer]
From the elemental analysis, the AMPS content in the synthesized p (DDA / AMPS) copolymer was 15%, the number average molecular weight Mn = 4000, and the degree of dispersion Mw / Mn = 1.5.
FIG. 2 shows a π-A curve of a monomolecular film on the p (DDA / AMPS) water surface where n = 0.15. As the surface area decreased, a sharp rise in surface pressure and a high collapse pressure were shown, indicating that a good monolayer on the water surface was obtained. From this, the average ultimate occupation area (A average ) was determined to be 0.25 nm 2 / monomer unit. The “average limit occupation area” means an area obtained by extrapolating from 0 mN / m where the surface pressure rises most sharply.

ここで、共重合体単分子膜中において、共重合体の各成分がそれぞれ固有の占有面積を有すると仮定し、Aaverage及び組成から、AMPS1ユニットあたりの極限占有面積を以下の式(1)に従って算出した。
average=(1−n)ADDA+nAAMPS ・・・(1)
average、ADDA、及びAAMPSは、それぞれ、平均極限占有面積、DDA1ユニット当たりの極限占有面積、及びAMPS1ユニット当たりの占有面積を示し、nはAMPS組成を表す。π−A等温線の結果より、DDAモノマーの極限占有面積は、ADDA=0.28nm2と求められている。これより式(1)を用いて算出したAAMPSは、ほぼ0nm2/モノマーユニットと求められ、AMPSは水面下に存在していると考えられる。
Here, in the copolymer monomolecular film, it is assumed that each component of the copolymer has a specific occupied area, and from A average and composition, the ultimate occupied area per unit of AMPS is expressed by the following formula (1). Calculated according to
A average = (1-n) A DDA + nA AMPS (1)
A average , A DDA , and A AMPS represent the average ultimate occupied area, the ultimate occupied area per DDA unit, and the occupied area per AMPS unit, respectively, and n represents the AMPS composition. From the result of the π-A isotherm, the ultimate occupied area of the DDA monomer is determined to be A DDA = 0.28 nm 2 . From this, A AMPS calculated using the formula (1) is determined to be approximately 0 nm 2 / monomer unit, and it is considered that AMPS exists below the water surface.

図3に、累積圧35、45mN/mで2層累積した膜のAFM像を示す。35mN/m(図3(a)、(b))では、約3.9nmの深さの欠陥が多数見られた。一方、45mN/m(図3(c)、(d))では、凝縮性の高い膜表面を形成し、それとともにRMS値(二乗平均)も増加することが明らかになった。そこで、45mN/mで30層、ガラス基板上に累積し、XRD測定を行った(図4)。2θ=2.47(d=3.57nm)の位置に顕著なブラッグピークが観測された。これは、pDDA二層分の層間隔に由来するブラッグピーク(d=3.48nm)とほぼ一致することから、p(DDA/AMPS)LB膜においては、p(DDA)と同様な層状構造をとっていることが示唆された。   FIG. 3 shows an AFM image of a film accumulated in two layers at a cumulative pressure of 35 and 45 mN / m. At 35 mN / m (FIGS. 3A and 3B), many defects having a depth of about 3.9 nm were observed. On the other hand, at 45 mN / m (FIGS. 3C and 3D), it was found that a highly condensable film surface was formed, and the RMS value (root mean square) also increased. Therefore, 30 layers were accumulated at 45 mN / m on the glass substrate, and XRD measurement was performed (FIG. 4). A prominent Bragg peak was observed at a position of 2θ = 2.47 (d = 3.57 nm). This is almost the same as the Bragg peak (d = 3.48 nm) derived from the pDDA bilayer spacing, so the p (DDA / AMPS) LB film has a layered structure similar to p (DDA). It was suggested that

そこで、p(DDA/AMPS)単分子膜をシリコン基板上に20層累積し、表面の一部をピンセットではぎ取り、その断面プロファイルより膜厚の測定を行った(図5)。積層した膜の表面には、多数の凝集体が見られるものの、フラットな部分において20層積層した膜厚は41nmとなることがわかる。これより1層当たりの膜厚に換算すると2.1nmとなり、XRDの結果と良い一致を示した。   Therefore, 20 layers of p (DDA / AMPS) monomolecular film were accumulated on the silicon substrate, a part of the surface was removed with tweezers, and the film thickness was measured from the cross-sectional profile (FIG. 5). Although many agglomerates are seen on the surface of the laminated film, it can be seen that the film thickness of 20 layers laminated in a flat part is 41 nm. From this, the film thickness per layer was 2.1 nm, which was in good agreement with the XRD results.

(実施例2)
[1. 実験方法]
[1.1 測定セルの作製]
Au櫛形電極を測定基板として用いた。実施例1の[1.2]の手順でガラス基板を疎水処理し、マスクを被せて真空蒸着機(大阪真空、V−KS200)内にセットした。まず、ガラス上に接着層としてCrを電子銃(アネルバ、単発E型電子銃)により1Å/s(0.1nm/s)で5nm蒸着した。次に、抵抗加熱によりAuを2Å/s(0.2nm/s)で45nm蒸着し、合計で厚さが50nmの電極を作製した。膜厚は、水晶振動子マイクロバランス(QCM)(INFICON、DepositionMonitor XTM/2)によりモニターした。
続いて、電極基板上p(DDA/AMPS)(n=0.15)を30層累積した。AFMにより、一層当たりの膜厚は2.1nmと求められたことから、すべてのサンプルについてAu電極はほぼ完全にLB膜で覆われていると考えられる。
(Example 2)
[1. experimental method]
[1.1 Production of measurement cell]
An Au comb electrode was used as a measurement substrate. The glass substrate was subjected to a hydrophobic treatment according to the procedure of [1.2] in Example 1, covered with a mask, and set in a vacuum vapor deposition machine (Osaka Vacuum, V-KS200). First, Cr was deposited as an adhesive layer on glass at a rate of 1 nm / s (0.1 nm / s) by an electron gun (Anelva, single-shot E-type electron gun) at a thickness of 5 nm. Next, Au was vapor-deposited at 2 nm / s (0.2 nm / s) by 45 nm by resistance heating to produce an electrode having a total thickness of 50 nm. The film thickness was monitored by a quartz crystal microbalance (QCM) (INFICON, DepositionMonitor XTM / 2).
Subsequently, 30 layers of p (DDA / AMPS) (n = 0.15) on the electrode substrate were accumulated. Since the film thickness per layer was determined to be 2.1 nm by AFM, it is considered that the Au electrode was almost completely covered with the LB film for all samples.

[1.2 イオン交換水(IEW)中でのインピーダンス測定]
[1.1]で作製したセルの両電極を、それぞれCE、WEとして、インピーダンスアナライザー(東洋テクニカ、Solartron SI1280B)に接続し、測定セルをIEW(18MΩ)中に1h浸漬した後、測定を開始した。図6に、測定セル及び測定条件を示す。
周波数域20000〜0.1Hzにおけるインピーダンスを測定し、ナイキストプロット及びボードプロットで求めた膜中の抵抗値から、式(1)を用いてイオン伝導度を算出した。
σ=1/Rs・d/S (S/cm) ・・・(1)
σ:イオン伝導度(S/cm)、Rs:バルク抵抗(Ω)、d:電極間距離(cm)、S:電極面積(cm2
[1.2 Impedance measurement in ion-exchanged water (IEW)]
Connect both electrodes of the cell produced in [1.1] to an impedance analyzer (Toyo Technica, Solartron SI1280B) as CE and WE, respectively, immerse the measurement cell in IEW (18 MΩ) for 1 h, and then start measurement did. FIG. 6 shows a measurement cell and measurement conditions.
The impedance in a frequency range of 20000 to 0.1 Hz was measured, and the ionic conductivity was calculated using the equation (1) from the resistance value in the film obtained by the Nyquist plot and the board plot.
σ = 1 / Rs · d / S (S / cm) (1)
σ: ion conductivity (S / cm), Rs: bulk resistance (Ω), d: distance between electrodes (cm), S: electrode area (cm 2 )

[1.3 高湿度雰囲気、温度制御下におけるインピーダンス測定]
[1.1]で作製したp(DDA/AMPS)(n=0.15)30層のサンプルを用いて、相対湿度RH=100%の条件下での温度に対するプロトン伝導度の変化を検討した。図7に、測定セル及び測定条件を示す。
p(DDA/AMPS)(n=0.15)を測定サンプルとして、Au櫛形電極上に30層累積した。これを容器内に入れて密閉し、12h放置した。その後、温度を室温から70℃まで上昇させ、10℃温度を上げる毎にLCRメーター(ヒオキ、LCR HiTESTER3522)により、周波数100000〜10Hzの範囲でインピーダンスを測定した。測定後のナイキストプロットは、ZsimpWinTM(Princeton Applied Research)により、等価回路を用いてフィッティングすることで膜内部の抵抗値を求め、式(1)よりイオン伝導度を算出した。
[1.3 Impedance measurement under high humidity atmosphere and temperature control]
Using the p (DDA / AMPS) (n = 0.15) 30-layer sample prepared in [1.1], changes in proton conductivity with respect to temperature under the condition of relative humidity RH = 100% were examined. . FIG. 7 shows measurement cells and measurement conditions.
Using p (DDA / AMPS) (n = 0.15) as a measurement sample, 30 layers were accumulated on the Au comb electrode. This was put in a container, sealed, and left for 12 hours. Thereafter, the temperature was raised from room temperature to 70 ° C., and the impedance was measured in the frequency range of 100,000 to 10 Hz with an LCR meter (Hiki, LCR HiTESTER 3522) every time the temperature was raised to 10 ° C. After the measurement, the Nyquist plot was obtained by fitting with an equivalent circuit using ZsimpWin ™ (Princeton Applied Research) to obtain the resistance value inside the film, and the ionic conductivity was calculated from Equation (1).

[2. 結果]
[2.1 イオン電導性側鎖を有する高分子ナノシートのIEW中でのイオン伝導度]
一般に、固体中でのプロトン伝導機構では、水を含ませてスルホン酸及びリン酸のプロトンを解離させる必要がある。そこで、種々のイオン基を有する高分子ナノシートを十分に含水させた状態でのプロトン伝導度を算出するために、IEW中でのナノシートについて、インピーダンス測定を行った。図8(a)及び図8(b)に、それぞれ、周波数範囲20000〜0.1Hzのナイキストプロット及びボードプロットを示す。また、図9に、高周波数量域でのナイキストプロットを示す。
図8において、周波数20000〜0.1Hzでは、完全な半円は見られなかったが、ボードプロットより100Hz以下の低周波数側では半円を描くことなく、Zが単調に増加する傾向が見られた。これは、電極としてブロッキング性の高いAuを用いたことによる膜−電極界面での電荷移動が抑制されているための考えられる。
[2. result]
[2.1 Ionic conductivity of polymer nanosheets with ion-conducting side chains in IEW]
Generally, in a proton conduction mechanism in a solid, it is necessary to dissociate protons of sulfonic acid and phosphoric acid by containing water. Therefore, in order to calculate proton conductivity in a state where polymer nanosheets having various ionic groups are sufficiently hydrated, impedance measurement was performed on the nanosheets in IEW. FIG. 8A and FIG. 8B show a Nyquist plot and a Bode plot in the frequency range 20000 to 0.1 Hz, respectively. FIG. 9 shows a Nyquist plot in the high frequency quantity region.
In FIG. 8, a perfect semicircle was not seen at a frequency of 20000 to 0.1 Hz, but Z tends to increase monotonously without drawing a semicircle on the low frequency side of 100 Hz or less from the board plot. It was. This is thought to be because charge transfer at the membrane-electrode interface due to the use of Au having a high blocking property as the electrode is suppressed.

一方、20000〜200Hzの高周波数側では、図9に示すように、変曲点が現れた。変曲点よりも高周波数側に現れた円弧を膜中のインピーダンス成分と仮定した場合、イオン伝導度は、この円弧を実軸に外挿した抵抗値となる。従って、p(DDA/AMPS)30層の膜厚と電極間距離から、イオン伝導度は2.6×10-3(S/cm)と求まった。ナフィオン(登録商標)は、室温下、水中において10-2(S/cm)オーダーの伝導度を示すため、本実施例で作製したナノシートは、これよりも一桁低い伝導度を示すことが明らかになった。 On the other hand, on the high frequency side of 20000 to 200 Hz, an inflection point appeared as shown in FIG. Assuming that an arc appearing on the higher frequency side than the inflection point is an impedance component in the film, the ionic conductivity is a resistance value obtained by extrapolating the arc to the real axis. Therefore, the ion conductivity was found to be 2.6 × 10 −3 (S / cm) from the film thickness of the p (DDA / AMPS) 30 layer and the distance between the electrodes. Since Nafion (registered trademark) exhibits a conductivity of the order of 10 −2 (S / cm) in water at room temperature, it is clear that the nanosheet prepared in this example exhibits a conductivity that is an order of magnitude lower than this. Became.

[2.2 高湿度雰囲気下でのイオン伝導度の温度依存性]
[2.1]では、作製したナノシートを水中に浸し、十分に含水した状態でのプロトン電導性について検討した。このようなナノシートをプロトン伝導膜として応用するためには、実際に燃料電池の運転条件に近い条件下でプロトン電導性を検討することが重要になる。モバイル用の燃料電池の作動温度は、室温から100℃付近である。現在、プロトン伝導膜として用いられているナフィオン(登録商標)は、80℃、飽和加湿条件下において0.1〜0.2(S/cm)程度のプロトン電導性を示すことが明らかになっている。そこで、本実施例では、p(DDA/AMPS)LB膜を用い、相対湿度RH=100%雰囲気下でインピーダンスの温度依存性を測定した。
[2.2 Temperature dependence of ionic conductivity under high humidity]
In [2.1], the produced nanosheets were immersed in water and examined for proton conductivity in a sufficiently wet state. In order to apply such a nanosheet as a proton conducting membrane, it is important to examine proton conductivity under conditions that are actually close to the operating conditions of the fuel cell. The operating temperature of a mobile fuel cell is from room temperature to around 100 ° C. Currently, Nafion (registered trademark) used as a proton conducting membrane has been shown to exhibit proton conductivity of about 0.1 to 0.2 (S / cm) under saturated humidification conditions at 80 ° C. Yes. Therefore, in this example, the temperature dependence of the impedance was measured using a p (DDA / AMPS) LB film under an atmosphere of relative humidity RH = 100%.

図10(a)及び図10(b)に、それぞれ、室温から70℃まで温度を変化させた時のボードプロット及び位相差θの周波数fに対応する変化を示す。図10(a)より、|Z|は、温度変化によって小さくなり、60℃において大きく減少することがわかった。また、20℃から50℃までは、105〜104Hzにおいて、|Z|は、周波数が減少するにつれて直線的に増加し、104Hz以下の低周波側でほぼ一定の値を示すことがわかった。一方、60℃では、105〜103Hzまで、Zは周波数の減少とともになだらかに増加し、70℃では、105〜101Hzの範囲で一定を示す領域が消失した。
さらに、図10(b)の位相変化を検討したところ、60℃以上で明確なピークが現れることが明らかになった。このことから、60℃以上でイオン伝導パスに大きな変化が生じていると考えられる。
FIG. 10A and FIG. 10B show a Bode plot and a change corresponding to the frequency f of the phase difference θ when the temperature is changed from room temperature to 70 ° C., respectively. From FIG. 10A, it was found that | Z | decreased with temperature change and decreased greatly at 60 ° C. In addition, from 20 ° C. to 50 ° C., at 10 5 to 10 4 Hz, | Z | increases linearly as the frequency decreases, and shows a substantially constant value on the low frequency side of 10 4 Hz or less. I understood. On the other hand, at 60 ° C., Z gradually increased as the frequency decreased from 10 5 to 10 3 Hz, and at 70 ° C., the constant region disappeared in the range of 10 5 to 10 1 Hz.
Furthermore, when the phase change of FIG.10 (b) was examined, it became clear that a clear peak appears above 60 degreeC. From this, it is considered that a large change occurs in the ion conduction path at 60 ° C. or higher.

そこで、ナイキストプロットより、p(DDA/AMPS)LB膜の伝導度について解析した(図11)。20℃から40℃の範囲では、105〜104Hzまでの高周波数側において比較的連続的なインピーダンスプロットが得られた。一方で103Hz以下の低周波数側では、プロットが大きくばらついた。これは、低周波数側においてインピーダンスの絶対値が大きくなり、測定限界に達したためと考えられる。温度を50℃まで上げると、105〜101Hzの全測定周波数領域内でばらつきのないプロットが得られ、電極界面に由来するインピーダンスが現れた。さらに、温度を上昇させると半円は小さくなり、70℃において[2.1]で得られたナイキストプロットに類似のものが得られ、膜中のインピーダンス成分と電極界面でのインピーダンス成分が明確に現れた。これは、温度上昇によるプロトンホッピング性の増加に起因してると考えられる。 Therefore, the conductivity of the p (DDA / AMPS) LB film was analyzed from the Nyquist plot (FIG. 11). In the range of 20 ° C. to 40 ° C., a relatively continuous impedance plot was obtained on the high frequency side from 10 5 to 10 4 Hz. On the other hand, the plots varied greatly on the low frequency side of 10 3 Hz or less. This is thought to be because the absolute value of the impedance increased on the low frequency side and reached the measurement limit. When the temperature was raised to 50 ° C., a consistent plot was obtained in the entire measurement frequency region of 10 5 to 10 1 Hz, and impedance derived from the electrode interface appeared. Furthermore, when the temperature is raised, the semicircle becomes smaller, and the one similar to the Nyquist plot obtained in [2.1] is obtained at 70 ° C, and the impedance component in the film and the impedance component at the electrode interface are clearly Appeared. This is considered to be due to an increase in proton hopping property due to a temperature rise.

そこで、これらのナイキストプロットを等価回路によりフィッティングし、得られた膜中の抵抗値と式(1)を用いることで、各温度におけるイオン伝導度の算出を試みた。図12に、用いた等価回路を示す。
膜中のインピーダンスをポリマー分極に由来する容量成分(CPEb)と、イオン伝導に由来する抵抗成分(Rb)の並列回路として表した。これらの成分は、高周波数側で半円として現れ、Rbは、その半円の直径に対応する。CPEbは、ポリマーの誘電緩和を考慮に入れた理想的な容量成分を表している。
Therefore, these Nyquist plots were fitted with an equivalent circuit, and an attempt was made to calculate the ionic conductivity at each temperature by using the resistance value in the obtained film and Equation (1). FIG. 12 shows the equivalent circuit used.
The impedance in the film was expressed as a parallel circuit of a capacitive component (CPE b ) derived from polymer polarization and a resistance component (R b ) derived from ionic conduction. These components appear as semicircles on the high frequency side, and R b corresponds to the diameter of the semicircle. CPE b represents an ideal capacitive component that takes into account the dielectric relaxation of the polymer.

一方で、電極界面でのインピーダンスを電気二重層に由来する容量(Ci)と、セル抵抗(Ri)の直列回路として表した。一般に、Riは、20Ω以下であるため、今回のイオン伝導体のような高抵抗体では、R≒0と仮定できる。70℃の時を除いて、図11で得られたナイキストプロットは、測定周波数領域内で一つの円弧として現れたため、電極界面でのインピーダンスを無視したCPEbとRbの並列回路のみでフィッティングを試みた。
図13は、各温度で得られたナイキストプロットを図12の等価回路でフィッティングした時のインピーダンス挙動を示している。このとき、温度20℃と40℃のナイキストプロットでは、測定限界に達した周波数500Hz以下のプロットを除外し、50℃から70℃のナイキストプロットでは電極界面のインピーダンス成分のプロットを除外した(T=50、60℃のときは497Hz以下。T=70℃のときは2000Hz以下を除外した)。
On the other hand, the impedance at the electrode interface is expressed as a series circuit of the capacitance (Ci) derived from the electric double layer and the cell resistance (Ri). In general, Ri is 20Ω or less, and therefore it can be assumed that R≈0 in a high-resistance material such as the present ionic conductor. Except at 70 ° C., the Nyquist plot obtained in FIG. 11 appeared as a single arc in the measurement frequency region, so fitting was performed only with a parallel circuit of CPE b and R b ignoring impedance at the electrode interface. Tried.
FIG. 13 shows the impedance behavior when the Nyquist plot obtained at each temperature is fitted with the equivalent circuit of FIG. At this time, in the Nyquist plots at temperatures of 20 ° C. and 40 ° C., plots having a frequency of 500 Hz or less that reached the measurement limit were excluded, and in the Nyquist plots from 50 ° C. to 70 ° C., plots of impedance components at the electrode interface were excluded (T = 497 Hz or less at 50 or 60 ° C., and 2000 Hz or less was excluded at T = 70 ° C.).

図12に示したように、T=20〜50℃のプロットについては、CPEbを理想的な容量成分Cbとし、T=60、70℃については、CPEbをポリマーやトラップされたイオンなどの緩和過程を考慮に入れたCb'とすることで、良好なフィッティングが行われた。これは、50℃以下の低温側ではポリマーの運動性が低いことでポリマーの配向分極過程が均一に行われているのに対し、60〜70℃の高温側ではイオン電導性とポリマーの運動性の増加により配向分極過程とイオン伝導が追従する周波数領域に重なりが生じたためと考えられる。 As shown in FIG. 12, for the plot of T = 20-50 ° C., CPE b is an ideal capacitance component C b, and for T = 60, 70 ° C., CPE b is a polymer, trapped ions, etc. Good fitting was performed by setting Cb taking into account the relaxation process. This is because the orientational polarization process of the polymer is uniformly performed on the low temperature side of 50 ° C. or lower, and the ionic conductivity and the polymer mobility are high on the high temperature side of 60 to 70 ° C. This is thought to be due to an overlap in the frequency domain where the orientation polarization process and ionic conduction follow due to the increase in.

次に、これらのフィッティングで得られた膜中の抵抗値より、式(1)を用いてプロトン伝導度の算出を試みた。図14は、Rbより算出したイオン伝導度を温度に対してプロットしたものである(A 1stが図13のRbから算出したイオン伝導度、B〜Dは同じ層数を積層し、同様の手順で再現性を検討したプロットである。温度上昇に伴うプロトン伝導度の変化は、2桁程度の大きな誤差を生じることがわかった。しかし、いずれの場合でも、温度上昇に伴ってイオン伝導度が50〜60℃の範囲で著しく増加した。
一方で、ナフィオン(登録商標)は、室温で10-2(S/cm)オーダーのプロトン電導性を示すことが明らかになっており、1/Tに対してlogσが直線的に増加し、以下のアレニウスの式(式(2))に従うことが報告されている。
lnσ=lnσ0−Ea/RT ・・・(2)
(σ:イオン伝導度、Ea:活性化エネルギー、T:温度)
Next, from the resistance values in the membranes obtained by these fittings, an attempt was made to calculate proton conductivity using Equation (1). FIG. 14 is a plot of ionic conductivity calculated from R b versus temperature (A 1st is the ionic conductivity calculated from R b in FIG. 13, B to D are the same number of layers, and the same It was found that the change in proton conductivity with increasing temperature causes a large error of about two orders of magnitude, but in either case, ion conduction increases with increasing temperature. The degree increased significantly in the range of 50-60 ° C.
On the other hand, Nafion (registered trademark) has been shown to exhibit proton conductivity of the order of 10 −2 (S / cm) at room temperature, and log σ increases linearly with respect to 1 / T. According to Arrhenius's equation (equation (2)).
lnσ = lnσ 0 −Ea / RT (2)
(Σ: ion conductivity, Ea: activation energy, T: temperature)

ナフィオン(登録商標)中でのプロトン伝導の活性化エネルギーEaは、この式より、5.1〜8.7kJ/molとなることが明らかになっている。同様に、p(DDA/AMPS)の40〜60℃における活性化エネルギーEaAMPSは、傾きより次の式(3)で求められる。
EaAMPS=43.3lnσT=60℃/σT=50℃ (kJ/mol) ・・・(3)
従って、EaAMPS=108〜198kJ/molとなり、ナフィオン(登録商標)よりも20倍以上大きい活性化エネルギーとなった。このことから、50〜60℃におけるプロトン電導性の増加は、プロトンホッピング性の増大だけでなく、膜中の構造変化が大きく寄与していると考えられる。
The activation energy E a of the proton conduction in Nafion®, from this equation, to be a 5.1~8.7kJ / mol has been revealed. Similarly, the activation energy Ea AMPS of p (DDA / AMPS) at 40 to 60 ° C. is obtained by the following equation (3) from the slope.
Ea AMPS = 43.3 lnσ T = 60 ° C./σ T = 50 ° C. (kJ / mol) (3)
Therefore, Ea AMPS = 108 to 198 kJ / mol, and the activation energy was 20 times higher than that of Nafion (registered trademark). From this, it is considered that the increase in proton conductivity at 50 to 60 ° C. is not only due to the increase in proton hopping property but also due to the structural change in the film.

そこで、Aのサンプルについて、測定後70℃から室温まで冷却した後、再びプロトン伝導度の温度依存性を検討した。その結果、A 2ndのプロットに示すように、1回目の測定よりもプロトン伝導度に著しい増加がみられ、45℃においても10-3(S/cm)オーダーを示すことが明らかになった。このことから、温度上昇に伴ったイオン伝導パスに不可逆的な変化が生じていると考えられる。 Therefore, the sample A was cooled from 70 ° C. to room temperature after measurement, and the temperature dependence of proton conductivity was examined again. As a result, as shown in the plot of A 2nd, it was revealed that the proton conductivity was remarkably increased as compared with the first measurement, and the order of 10 −3 (S / cm) was exhibited even at 45 ° C. From this, it is considered that an irreversible change occurs in the ion conduction path accompanying the temperature rise.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る高分子ナノシート集積電解質膜は、燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜として用いることができる。   The polymer nanosheet integrated electrolyte membrane according to the present invention is used in various electrochemical devices such as a fuel cell, a water electrolysis apparatus, a hydrohalic acid electrolysis apparatus, a salt electrolysis apparatus, an oxygen and / or hydrogen concentrator, a humidity sensor, and a gas sensor. It can be used as an electrolyte membrane.

ラングミュアートラフの概念図である。It is a conceptual diagram of Langmuir Rough. n=0.15のp(DDA/AMPS)水面上単分子膜のπ−A曲線である。It is a π-A curve of a monomolecular film on the p (DDA / AMPS) water surface where n = 0.15. 図3(a)及び図3(b)は、累積圧35mN/mで2層累積したp(DDA/AMPS)積層膜のAFM像((a)20μm×20μm、(b)5μm×5μm)である。図3(c)は、表面圧が45mN/mになった5分後に、累積圧45mN/mで2層累積したp(DDA/AMPS)積層膜のAFM像であり、図3(d)は、表面圧が45mN/mになった60分後に、累積圧45mN/mで2層累積したp(DDA/AMPS)積層膜のAFM像である。FIGS. 3A and 3B are AFM images ((a) 20 μm × 20 μm, (b) 5 μm × 5 μm) of the p (DDA / AMPS) laminated film accumulated two layers at a cumulative pressure of 35 mN / m. is there. FIG. 3 (c) is an AFM image of a p (DDA / AMPS) laminated film accumulated two layers at a cumulative pressure of 45 mN / m 5 minutes after the surface pressure reaches 45 mN / m, and FIG. FIG. 5 is an AFM image of a p (DDA / AMPS) laminated film in which two layers are accumulated at a cumulative pressure of 45 mN / m 60 minutes after the surface pressure reaches 45 mN / m. 30層累積したp(DDA/AMPS)積層膜のXRDパターンである。It is an XRD pattern of a p (DDA / AMPS) laminated film in which 30 layers are accumulated. 累積圧45mN/mで20層累積したp(DDA/AMPS)積層膜の断面プロファイルである。It is a cross-sectional profile of a p (DDA / AMPS) laminated film in which 20 layers are accumulated at an accumulated pressure of 45 mN / m. イオン交換水中でのインピーダンス測定に用いた測定セルの概念図及び測定条件である。It is the conceptual diagram and measurement conditions of the measurement cell used for the impedance measurement in ion-exchange water. 高湿度雰囲気下でのインピーダンス測定に用いた測定セルの概念図及び測定条件である。It is the conceptual diagram and measurement conditions of the measurement cell used for the impedance measurement in a high-humidity atmosphere. 図8(a)及び図8(b)は、それぞれ、イオン交換水中におけるp(DDA/AMPS)LB膜のナイキストプロット及びボードプロットである(周波数範囲:20000〜0.1Hz)。FIG. 8A and FIG. 8B are a Nyquist plot and a Bode plot of a p (DDA / AMPS) LB film in ion-exchanged water, respectively (frequency range: 20000 to 0.1 Hz). p(DDA/AMPS)LB膜の高周波数領域でのナイキストプロットである。It is a Nyquist plot in the high frequency region of the p (DDA / AMPS) LB film. 図10(a)及び図10(b)は、それぞれ、異なる温度(20〜70℃)で測定された、30層累積したp(DDA/AMPS)積層膜のボードプロット及びθプロットである。FIG. 10A and FIG. 10B are a Bode plot and a θ plot of a p (DDA / AMPS) laminated film in which 30 layers are accumulated, which are measured at different temperatures (20 to 70 ° C.), respectively. 異なる温度で測定された、30層累積したp(DDA/AMPS)積層膜のナイキストプロット(図11(a):20〜50℃、図11(b):60〜70℃)である。It is a Nyquist plot (FIG. 11 (a): 20-50 degreeC, FIG.11 (b): 60-70 degreeC) of the p (DDA / AMPS) laminated film which accumulated 30 layers measured at different temperature. ナイキストプロットのフィッティングに用いた等価回路である。It is an equivalent circuit used for fitting the Nyquist plot. 異なる温度で測定されたナイキストプロット、及び等価回路を用いたフィッティング結果である。Nyquist plots measured at different temperatures and fitting results using equivalent circuits. 30層累積したp(DDA/AMPS)積層膜のプロトン伝導度の温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of the proton conductivity of the p (DDA / AMPS) laminated film which accumulated 30 layers.

Claims (4)

酸基を有する両親媒性ポリマーを水面上に展開・圧縮して単分子膜を形成し、前記単分子膜を基板上に累積させることにより得られる積層膜からなる高分子ナノシート集積電解質膜。   A polymer nanosheet integrated electrolyte membrane comprising a laminated film obtained by spreading and compressing an amphiphilic polymer having an acid group on a water surface to form a monomolecular film, and accumulating the monomolecular film on a substrate. 前記酸基を有する両親媒性ポリマーは、炭素数が4以上であるアルキルアクリルアミドモノマー、ペルフルオロアルキルアクリルアミドモノマー、アルキルメタクリルアミドモノマー又はペルフルオロアルキルメタクリルアミドモノマーと、スルホン酸含有モノマーとの共重合体である請求項1に記載の高分子ナノシート集積電解質膜。   The amphiphilic polymer having an acid group is a copolymer of an alkylacrylamide monomer, a perfluoroalkylacrylamide monomer, an alkylmethacrylamide monomer or a perfluoroalkylmethacrylamide monomer having 4 or more carbon atoms, and a sulfonic acid-containing monomer. The polymer nanosheet integrated electrolyte membrane according to claim 1. 前記酸基を有する両親媒性ポリマーは、N−ドデシルアルキルアクリルアミドモノマーと、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸モノマーとの共重合体である請求項1に記載の高分子ナノシート集積電解質膜。   2. The polymer nanosheet-integrated electrolyte membrane according to claim 1, wherein the amphiphilic polymer having an acid group is a copolymer of an N-dodecylalkylacrylamide monomer and a 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid monomer. 前記積層膜をガラス転移温度以上で熱処理することにより得られる請求項1から3までのいずれかに記載の高分子ナノシート集積電解質膜。   The polymer nanosheet integrated electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3, obtained by heat-treating the laminated film at a glass transition temperature or higher.
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