JP2022541056A - 高分子アニオン伝導膜 - Google Patents
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Abstract
Description
この反応工程を100~300℃の温度、より好ましくは125~175℃の反応温度で実施することが好ましい。最も好ましくは、反応混合物が沸騰する温度で反応工程を行い、攪拌しながら行うことが好ましい。反応工程を不活性ガス雰囲気下、好ましくは窒素雰囲気下で行うのが最も好ましい。生成されたメタノールおよび/または水を反応容器の上部で除去することが好ましい。K2CO3の存在下で反応工程を行うのが好ましい。
内部温度計と、マグネチックスターラー付加熱装置と、還流冷却器とを備える1つの500mL三ツ口フラスコに、150gの酢酸と、17g(0.15モル)のN-メチルピペリドンと、49g(0.40モル)の2,6-ジメチルフェノールと、30gの濃塩酸と、を投入した。続いて、この溶液を撹拌しながら90℃に加熱した。反応時間の経過とともに、生成物のかなりの部分が沈殿した。40時間後、反応塊を室温に冷却した。結晶化した沈殿物を濾別し、少量の酢酸で3回洗浄し、250gの水と400gのエタノールとの混合物に懸濁させた。続いて、懸濁液を80℃に加熱して、懸濁物質を溶解させた。アンモニア溶液を加えることにより、N-メチル-4,4-ビス(3‘,5‘-ジメチル、4‘-ヒドロキシフェニル)-ピペリジンモノマーが沈殿した。室温に冷却した後、これを濾別し、フィルターケーキを水で3回洗浄し、真空中で一晩乾燥させた。
油浴と、メカニカルスターラーと、戻り率を調節でき、凝縮水を除去できる蒸留ヘッド冷却器付き充填カラムとを備える500mL三ツ口フラスコ内で合成を行った。合成開始時、0.09モル(30.51g)のN-メチル-4,4-ビス(3‘,5‘-ジメチル、4‘-ヒドロキシフェニル)-ピペリジンと、0.09モル(19.62g)の4,4‘-ジフルオロベンゾフェノンと、105gのジメチルアセトアミドと、0.135モルの微粉砕K2CO3と、を窒素雰囲気下、室温で1時間かけて混合した。その後、油浴の温度を235℃に上げて、反応混合物を沸騰させた。カラムを使用して、生成された水を除去し、55gのジメチルアセトアミドを反応混合物に加えた。4時間後、追加の50gのジメチルアセトアミドを反応混合物に加え、油浴の温度を190℃に下げた。10時間後、油浴の加熱を止め、反応生成物を室温まで冷却し、水に流し込んだ。生成物をお湯で2回、かつエタノール:水=1:1(体積比)の混合物で1回洗浄した。最後に、それを真空下125℃で一晩乾燥させた。収量は45gで、ほぼ化学量論的であった。
実験例2のポリマー(10g)を、50℃で1時間撹拌しながら45gのジメチルアセトアミドに溶解した。ポリマー溶液を30℃まで冷却した後、4.13gのヨードメタンをポリマー溶液にゆっくりと滴下して加え、それをさらに2時間撹拌した。200ミリバールで真空ポンプを使用してポリマーを四級化した後、過剰のヨードメタンを除去し、気相を、30重量%KOH水溶液で満たされた2つの連続配置されたガス洗浄ボトルに通した。
実験例3の四級化ポリマー溶液を、膜の調製に直接使用した。必要量のポリマー溶液をシリンジで吸い取り、0.45μmPTFEフィルタを通して、40℃に予熱したガラスプレートに直接塗布した。ガラスプレートをコーティングするために、ドクターブレードを備えたアプリケーターを5mm/秒の速度でガラスプレート上を自動で通過させた。塗布した湿潤層を、窒素雰囲気下、室温で12時間予備乾燥し、次いで真空下60℃で6時間乾燥した。
マグネチックスターラーと、温度制御装置と、コンデンサとを備えた2L三ツ口フラスコ内で、36g(0.26モル)のK2CO3を150mLのEtOHに溶解した。次いで、57.3g(0.40モル)の1,4-ジオキサ-8-アザスピロ[4,5]デカンを800mLのEtOHに溶解し、三ツ口フラスコに移した。その後、温度を35℃に調整した。続いて、150mLのEtOHに92g(0.40モル)の1,5-ジブロムペンタンを入れた溶液を12時間にわたって滴下して加えた。70時間後、反応生成物を室温に冷却し、沈殿したKBrを濾過により分離し、溶液をロータリー・エバポレーターで濃縮した。濃縮工程中に、追加量のKBrが結晶化し、それを濾別した。80℃未満の温度で固化した濾液を濾過し、さらに精製することなく、スピロ含有モノマー(VIa)を合成するための抽出物の1つとして使用した。
油浴と、メカニカルスターラーと、戻り率を調節でき、凝縮水を除去できる蒸留ヘッド冷却器付き充填カラムとを備える500mL三ツ口フラスコ内で合成を行った。合成開始時に、0.01モル(4.89g)の3,3-ビス(4-ヒドロキシ-3,5-ジメチルフェニル)-6-アザスピロ[5.5]ウンデカン-6-イウムメタンスルホネートと、0.01モル(2.18g)の4,4‘-ジフルオロベンゾフェノンと、15gのジメチルアセトアミドと、0.0125モル(1.73g)の微粉砕K2CO3と、を窒素雰囲気下、室温で1時間かけて混合した。その後、油浴の温度を235℃に上げ、反応混合物を沸騰させた。カラムを使用して、生成された水を除去し、8gのジメチルアセトアミドを反応混合物に加えた。10時間加熱した後、油浴を止め、反応生成物を室温に冷却し、酢酸エチルに流し入れた。生成物をお湯で3回、かつエタノール:水=1:1(体積比)の混合物で1回洗浄した。最後に、それを真空下110℃で一晩乾燥させた。
実験例6のポリマー10gを、50℃で1時間撹拌しながら、30gのジメチルアセトアミドに溶解した。必要量のポリマー溶液をシリンジで吸い取り、0.45μmPTFEフィルタを通して、40℃に予熱したガラスプレートに直接塗布した。ガラスプレートをコーティングするために、ドクターブレードを備えたアプリケーターを5mm/秒の速度でガラスプレート上を自動で通過させた。塗布した湿潤層を、窒素雰囲気下、室温で12時間予備乾燥し、次いで真空下60℃で6時間乾燥した。
工程1:
マグネチックスターラーと、加熱装置と、還流冷却器とを備えた100mL三ツ口フラスコ内で、0.02モル(6.72g)の4,4‘-(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフェノールと、0.018モル(3.924g)の4,4‘-ジフルオロベンゾフェノンと、を24gのジメチルホルムアミドに溶解した。0.0225モル(3.1g)の粉砕K2CO3を加えた後、すべての抽出物を4時間還流し、窒素雰囲気下で室温まで冷却した。
メカニカルスターラーと、加熱装置と、留出物除去ヘッド付きカラムとを備えた250mL三ツ口フラスコ内で、0.02モル(9.78g)の実験例5のスピロ含有モノマー(VIa)と、0.022モル(4.79g)4,4’-ジフルオロベンゾフェノンと、0.0225モル(3.1g)の粉砕K2CO3と、を35gのジメチルホルムアミドに混合し、沸騰するまでゆっくりと加熱した。その結果、難溶性の沈殿物が形成され、それは反応の過程で完全に分離された。反応中に生成された水をカラムヘッドで除去した。抽出物の混合物を15時間還流し、次いで窒素下で室温まで冷却した。
工程1の反応生成物を工程2の反応生成物にゆっくりと加え、25gのジメチルホルムアミドをこの混合物に加えた。装置を窒素でパージし、還流下で撹拌しながら6時間沸騰させた。溶液を窒素雰囲気下で室温まで冷却した。
実験例8のポリマー10gを50℃で1時間撹拌しながら30gのジメチルアセトアミドに溶解した。必要量のポリマー溶液をシリンジで吸い取り、0.45μmPTFEフィルタを通して、40℃に予熱したガラスプレートに直接塗布した。ガラスプレートをコーティングするために、ドクターブレードを備えたアプリケーターを5mm/秒の速度でガラスプレート上を自動で通過させた。塗布した湿潤層を、窒素雰囲気下、室温で12時間予備乾燥し、次いで真空下60℃で6時間乾燥した。
実験例4、7および9でそれぞれ調製した膜をイオン交換した:膜サンプルを60℃で24時間、1M KOH水溶液中に置いた。その後、膜サンプルを脱イオン水でリンスし、新鮮な脱イオン水中に60℃で1時間ずつ3回置いた。続いて、膜サンプルを新鮮な脱イオン水中で室温で一晩保管した。
実験例10のイオン交換膜サンプルの面内イオン移動度を、従来の4電極配置でインピーダンススペクトル法(EIS)によって測定した。膜サンプルを市販のBT-112セル(Bekk Tech LLC社製)に取り付け、2本の外側Ptワイヤをサンプルの下に配置し、2本の中点Ptワイヤをサンプルの上に配置した。BT-112セルを2枚のPTFEプレートの間に取り付け、脱イオン水で満たした。脱イオン水の温度を水浴で制御し、ポンプで脱イオン水をセルを通して恒久的に流した。膜抵抗(Rmembrane)は、広く使用されているR(RC)Randles型等価回路を使用して、取得したEISスペクトルをフィッティングすることによって計算した。膜サンプルのイオン移動度(σ)は式(1)から得られる。
σ=L/(Rmembrane*A) (1)
(式中、LはPtワイヤ間の距離(5mm)であり、Aは2本の外側Ptワイヤ間の膜サンプルの面積である。)
膜ごとに3つのサンプルに対して測定を繰り返し、平均±標準偏差を計算した。
実験例10のイオン交換膜サンプル(テストした膜ごとに3サンプル)を、吸水率の測定に使用した。すべてのサンプルを40℃、25ミリバールの真空オーブンで24時間乾燥させた後、デシケーターで室温まで冷却し、重量を測定した。吸水率を測定するために、膜サンプルを25℃の脱イオン水中で24時間保管した。続いて、各サンプルの重量を再度測定した。このために、濾紙を用いて付着した水を膜から除去した。各測定を3回繰り返し、平均±標準偏差を計算した。吸水率(WU)は、式(2)から得られる。
WU=(mwet-mdry)/mdry*100% (2)
(式中、mwetは膨潤後のサンプルの質量であり、mdryは乾燥後のサンプルの質量である。)
寸法安定性の測定には、実験例10のイオン交換膜サンプル(テストした膜ごとに3サンプル)を使用した。すべてのサンプルを40℃、25ミリバールの真空オーブンで24時間乾燥させた後、デシケーターで室温まで冷却した。 サンプル長さ、サンプル幅、サンプル厚さなどのパラメータを測定した。膨潤挙動を測定するために、膜サンプルを25℃の脱イオン水中で24時間保管した。続いて、サンプル長さ、サンプル幅、およびサンプル厚さを再度測定した。 このために、濾紙を用いて付着した水を膜から除去した。各測定を3回繰り返し、平均±標準偏差を計算した。長さ、幅、および厚さの膨潤挙動(寸法安定性、DSと呼ばれる)は、式(3)から得られる。
DS=(Xwet-Xdry)/Xdry*100% (3)
(式中、Xwetは膨潤後のサンプルの長さ、幅、または厚さであり、Xdryは乾燥したサンプルの長さ、幅、または厚さである。)
実験例10のイオン交換膜サンプル(テストした膜ごとに3サンプル)を、25℃の脱イオン水中で24分間保管した。サンプルを測定システム(ウォーターバス付きDMA 8000)に取り付ける前に、各膜サンプルの幅と厚さを測定した。各測定を3回繰り返し、平均±標準偏差を計算した。DMA測定は、次のように実施した;静的予圧した2つの垂直な支柱の間に膜サンプルを取り付ける。サンプルに静的予圧をかけるために、クランプ間の距離(自由行程長さlとも呼ばれる)を取り付け時に約1mm短縮する。試料を2つのステープルの間に固定し、次いで、元の自由行程長さを復元し、試料を引き伸ばす。サンプルが完全に水で覆われるように、テストセットアップ全体を温水浴内の脱イオン水に浸す。測定手順では、室温(25℃)~90℃までの温度範囲、2K/分の加熱速度でサンプルを検査する。この温度間隔内で、膜サンプルを、1Hzの周波数、0.1%の伸び率εで正弦曲線状に連続でロードする。伸び率(%)は、式(4)から得られる。
ε=△l/l (4)
(式中、Δlはサンプルの歪み(mm)であり、lは自由行程である。)
自由行程の長さl=10mmの場合、ε=0.1%で0.01mmの伸びとなる。力センサーにより、特定のひずみに必要な電圧を検出する。
ナフィオンN-115は、The Chemours Company社から市販されているカチオン交換膜である。
1:これらのデータは、膜の厚さの変化を示している。
2:これらのデータは、OH-形で測定された膜の伝導率を示している。
3:これらのデータは、H+形で測定された膜の伝導率を示している。
4:すべての膜を60℃でOH形で測定した(ナフィオンはH+形で測定した)
Claims (13)
- 式(Ia)または式(Ib)で表される、請求項1記載の化合物。
- 発生した前記構成要素Xうちの50%超、好ましくは75%超、最も好ましくは90%超が前記式(IIa)または前記式(IIb)の単位である、請求項1~請求項3のいずれか1項記載の化合物。
- 前記式(I)、前記式(Ia)、前記式(Ib)、前記式(IVa)、前記式(IVb)、前記式(IVc)および前記式(IVd)の前記化合物中の前記芳香族環が、1つまたは複数のハロゲン、あるいは1つまたは複数のC1~C4-アルキルラジカルでさらに置換されていない、請求項1~請求項6のいずれか1項記載の化合物。
- アルキル化試薬、好ましくはメチル化試薬を使用する工程を有する、請求項8記載の方法。
- 前記式(V)、前記式(VIa)および前記式(VIb)の前記化合物中の前記芳香族環は、1つまたは複数のハロゲン、あるいは1つまたは複数のC1~C4-アルキルラジカルでさらに置換されていない、請求項8または請求項9記載の方法。
- アニオン伝導膜として、またはアニオン伝導膜の製造のための、請求項1~請求項7のいずれか一項記載の化合物の使用。
- 電気化学的プロセス、好ましくは電解技術、電気透析技術、および燃料電池技術から選択されるプロセスで使用する成分の製造のための、請求項11記載の化合物の使用。
- 請求項1~請求項7のいずれか一項記載の化合物を含む電解槽。
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