JP5343669B2 - Mesoporous electrolyte - Google Patents

Mesoporous electrolyte Download PDF

Info

Publication number
JP5343669B2
JP5343669B2 JP2009086627A JP2009086627A JP5343669B2 JP 5343669 B2 JP5343669 B2 JP 5343669B2 JP 2009086627 A JP2009086627 A JP 2009086627A JP 2009086627 A JP2009086627 A JP 2009086627A JP 5343669 B2 JP5343669 B2 JP 5343669B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
precursor
mesoporous
surfactant
electrolyte
mesopores
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2009086627A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2010238598A (en
Inventor
悟 藤田
昌弥 川角
伸二 稲垣
孝夫 谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2009086627A priority Critical patent/JP5343669B2/en
Publication of JP2010238598A publication Critical patent/JP2010238598A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5343669B2 publication Critical patent/JP5343669B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide mesoporous electrolyte of an organic/inorganic hybrid type in which a threshold value for the amount of acid radicals which is introduced is dramatically great compared with the conventional. <P>SOLUTION: The mesoporous electrolyte includes a mesoporous body composed from silica with mesopores in an ordered array and a perfluoro sulfonic acid group that is expressed by formula (1) that modifies the inner surfaces of the mesopores. The formula (1) is -[C(H,F)<SB>2</SB>]<SB>n</SB>-X-(CF<SB>2</SB>)<SB>m</SB>-SO<SB>3</SB>H when X is O or a direct bond and n, m are respectively integers of 1 or more and 3 or less. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、メソ多孔体電解質に関し、さらに詳しくは、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として使用することが可能なメソ多孔体電解質に関する。   The present invention relates to a mesoporous electrolyte, and more specifically, 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. The present invention relates to a mesoporous electrolyte that can be used as an electrolyte used in the above.

燃料電池、電解装置などの電気化学デバイスには、イオン伝導性を示す各種の電解質が用いられている。これらの中でも、固体高分子電解質は、相対的に低温において高いイオン伝導性を示すので、燃料電池用の電解質膜や触媒層内電解質としてとして広く使用されている。しかしながら、固体高分子電解質は、耐熱性が低いために、効率の点で有利な高温での使用に限界がある。また、固体高分子電解質は、高いイオン伝導性を発現させるためには適度な含水状態にある必要があるため、低加湿条件下での使用に限界がある。さらに、固体高分子電解質は、イオン伝導性を高めるために酸基密度を増大させると、水に膨潤又は溶解しやすくなるという問題がある。   Various electrolytes exhibiting ionic conductivity are used in electrochemical devices such as fuel cells and electrolyzers. Among these, solid polymer electrolytes are widely used as electrolyte membranes for fuel cells and electrolytes in catalyst layers because they exhibit high ionic conductivity at relatively low temperatures. However, since the solid polymer electrolyte has low heat resistance, there is a limit to use at a high temperature advantageous in terms of efficiency. In addition, since the solid polymer electrolyte needs to be in an appropriate water-containing state in order to develop high ionic conductivity, there is a limit to its use under low humidification conditions. Further, the solid polymer electrolyte has a problem that when the acid group density is increased in order to increase the ionic conductivity, the polymer electrolyte easily swells or dissolves in water.

一方、このような問題を解決する電解質として、例えば、シリカなどの無機材料からなるメソ多孔体のメソ細孔内に、パーフルオロアルキルスルホン酸基などの酸基を導入した有機/無機ハイブリッド型の固体電解質が提案されている。
無機/有機ハイブリッド型の固体電解質は、
(1)メソ細孔内に多量の酸基を導入することができるので、良好なプロトン伝導性を示す、
(2)毛管凝縮現象によりメソ細孔内に水分を保持することができるので、低加湿条件下においても高いプロトン伝導度を示す、
(3)無機材料を基体としているので、酸基の比率にかかわらず、形状を維持できる、
と言われている。
On the other hand, as an electrolyte for solving such a problem, for example, an organic / inorganic hybrid type in which an acid group such as a perfluoroalkylsulfonic acid group is introduced into a mesopore of a mesoporous body made of an inorganic material such as silica. Solid electrolytes have been proposed.
Inorganic / organic hybrid solid electrolyte
(1) Since a large amount of acid groups can be introduced into the mesopores, good proton conductivity is exhibited.
(2) Since moisture can be retained in the mesopores by capillary condensation, high proton conductivity is exhibited even under low humidification conditions.
(3) Since the base material is an inorganic material, the shape can be maintained regardless of the ratio of acid groups.
It is said.

このような無機/有機ハイブリッド型の固体電解質及びその製造方法については、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、
(1)界面活性剤及びNaOHを含む水溶液に1,4−ビス(トリエトキシシリル)ベンゼンを加えて反応させることにより、界面活性剤を含む多孔質前駆体を合成し、
(2)多孔質前駆体粒子を塩酸−エタノール混合溶液に分散させて界面活性剤を抽出することにより、−C64−Si23−骨格を有する多孔質粒子とし、
(3)多孔質粒子に発煙硫酸を加えて反応させ、骨格に含まれるフェニレン基(−C64−)の一部をスルホン酸化させる
ことにより得られる固体電解質が開示されている。
同文献には、
(a)このような方法により、中心細孔直径が2.8nmであり、5.5×10-4eq/gの水素イオンが存在する固体電解質が得られる点、及び、
(b)得られた固体電解質は、水蒸気の相対圧力が1.0未満であっても、細孔内が水で十分に満たされる点、
が記載されている。
Various proposals have heretofore been made for such inorganic / organic hybrid type solid electrolytes and methods for producing the same.
For example, Patent Document 1 discloses that
(1) A porous precursor containing a surfactant is synthesized by adding 1,4-bis (triethoxysilyl) benzene and reacting with an aqueous solution containing the surfactant and NaOH,
(2) the porous precursor particles hydrochloride - is dispersed in an ethanol solution mixture by extracting the surfactant, -C 6 H 4 -Si 2 O 3 - a porous particle having a skeleton,
(3) A solid electrolyte obtained by adding fuming sulfuric acid to a porous particle to cause reaction to sulfonate and oxidize a part of a phenylene group (—C 6 H 4 —) contained in the skeleton is disclosed.
In the same document,
(A) By such a method, a solid electrolyte having a central pore diameter of 2.8 nm and a hydrogen ion of 5.5 × 10 −4 eq / g is obtained, and
(B) In the obtained solid electrolyte, even if the relative pressure of water vapor is less than 1.0, the pores are sufficiently filled with water,
Is described.

また、特許文献2には、
(1)塩酸及び界面活性剤(F127)を含む溶液中にテトラエトキシシランを加えてF127/シリカ複合粒子を生成させ、
(2)F127/シリカ複合粒子からF127を燃焼除去して多孔質シリカ(SBA−16粒子)とし、
(3)1,2,2−トリフルオロ−2−ヒドロキシ−1−トリフルオロメチルエタンスルホン酸スルトン(前駆体)を溶解させた溶液にSBA−16粒子を加え、細孔内壁のシラノール基と前駆体とを縮重合させる
ことにより得られる無機/有機ハイブリッド固体電解質が開示されている。
同文献には、このような無機/有機ハイブリッド固体電解質を加圧成形することにより得られる固体電解質膜は、高いプロトン伝導性を示す点が記載されている。
In addition, in Patent Document 2,
(1) Tetraethoxysilane is added to a solution containing hydrochloric acid and a surfactant (F127) to form F127 / silica composite particles,
(2) F127 is burned and removed from the F127 / silica composite particles to form porous silica (SBA-16 particles).
(3) SBA-16 particles are added to a solution in which sultone (precursor) of 1,2,2-trifluoro-2-hydroxy-1-trifluoromethyl ethane sulfonate is dissolved, and silanol groups and precursors on the inner wall of the pores are added. An inorganic / organic hybrid solid electrolyte obtained by polycondensation with a body is disclosed.
This document describes that a solid electrolyte membrane obtained by pressure-molding such an inorganic / organic hybrid solid electrolyte exhibits high proton conductivity.

また、非特許文献1には、メソポーラスシリカの表面シラノール基と、1,2,2−トリフルオロ−2−ヒドロキシ−1−トリフルオロメチルエタンスルホン酸スルトン(環状前駆体)とを反応させることにより得られるハイブリッド有機−無機メソポーラスシリカが開示されている。
同文献には、
(1)メソポーラスシリカの表面シラノール基と環状前駆体とを反応させると、環状前駆体のスルトン環が開環し、シリカ骨格と末端にスルホン酸基を有するパーフルオロアルキル鎖(−O−CF2−CF(CF3)−SO3H)との間に共有結合が形成される点、
(2)有機物の担持に伴い、メソポーラスシリカのBET比表面積が小さくなる点、及び
(3)環状前駆体とメソポーラスシリカの比率を変えることにより、S含有量が0.51mmol/gであるハイブリッド有機−無機メソポーラスシリカが得られる点、
が記載されている。
Non-patent document 1 discloses that a surface silanol group of mesoporous silica is reacted with sultone (cyclic precursor) of 1,2,2-trifluoro-2-hydroxy-1-trifluoromethylethanesulfonic acid. The resulting hybrid organic-inorganic mesoporous silica is disclosed.
In the same document,
(1) When a surface silanol group of mesoporous silica is reacted with a cyclic precursor, a sultone ring of the cyclic precursor is opened, and a perfluoroalkyl chain (—O—CF 2) having a silica skeleton and a sulfonic acid group at the terminal is opened. A covalent bond is formed with —CF (CF 3 ) —SO 3 H),
(2) A hybrid organic compound having an S content of 0.51 mmol / g by changing the ratio of the cyclic precursor to the mesoporous silica by changing the ratio of the BET specific surface area of the mesoporous silica with the loading of the organic substance, and (3) -The point at which inorganic mesoporous silica is obtained,
Is described.

また、非特許文献2には、テンプレート共存下でシラン1((EtO)3Si(CH2)3(CF2)2O(CF2)2SO2F)とシラン2((EtO)4Si)とをゾルゲル共縮重合させることにより得られるメソポーラスシリカ−パーフルオロスルホン酸ハイブリッドが開示されている。
同文献には、シラン1:シラン2のモル比を0.02:0.98とすると、双方のシランが完全に組み込まれ、かつ、スルホン酸基の担持量が0.2mmol/gである規則配列した細孔を有する材料が得られる点が記載されている。
Non-Patent Document 2 discloses that silane 1 ((EtO) 3 Si (CH 2 ) 3 (CF 2 ) 2 O (CF 2 ) 2 SO 2 F) and silane 2 ((EtO) 4 Si in the presence of a template. And mesoporous silica-perfluorosulfonic acid hybrid obtained by sol-gel copolycondensation polymerization.
In this document, when the molar ratio of silane 1: silane 2 is 0.02: 0.98, both silanes are completely incorporated and the sulfonic acid group loading is 0.2 mmol / g. It describes that a material having arranged pores is obtained.

さらに、非特許文献3には、加水分解させたテトラエトキシシランと、(OH)3−Si(CH2)3(CF2)2O(CF2)2SO3 -+とを共縮重合させることにより得られる、側鎖にスルホン酸基を有する高比表面積材料が開示されている。
同文献には、このような方法により得られる材料の酸当量数は、0.18mequiv./gである点が記載されている。
Further, Non-Patent Document 3 discloses co-condensation polymerization of hydrolyzed tetraethoxysilane and (OH) 3 —Si (CH 2 ) 3 (CF 2 ) 2 O (CF 2 ) 2 SO 3 M +. A high specific surface area material having a sulfonic acid group in the side chain, obtained by the above process, is disclosed.
In this document, the number of acid equivalents of a material obtained by such a method is 0.18 mequiv. The point of / g is described.

国際公開WO2002/037506号公報International Publication WO 2002/037506 特開2007−141625号公報JP 2007-141625 A

M.Alvaro et al., Chem.Commun., 2004, 956M. Alvaro et al., Chem. Commun., 2004, 956 D.J.Macquarrie et al., Chem.Commun., 2005, 2363D.J.Macquarrie et al., Chem. Commun., 2005, 2363 M.A.Harmer et al., Chem.Commun., 1997, 1803M.A.Harmer et al., Chem. Commun., 1997, 1803

メソ多孔体の内表面にパーフルオロスルホン酸を導入する方法には、上述したように、
(1)予め合成されたメソポーラスシリカの細孔の表面にパーフルオロスルホン酸基をグラフトさせる第1の方法、及び、
(2)界面活性剤共存下でパーフルオロスルホン酸基を有する分子長の長いモノマーと、メソ細孔壁の骨格を形成するモノマー(例えば、テトラエトキシシラン)とを共縮重合させる第2の方法、
が知られている。
しかしながら、第1の方法は、パーフルオロスルホン酸基となる前駆体をメソ細孔内に均一に導入するのが難しい。そのため、第1の方法は、細孔内に導入可能な酸基量に限界があり、最大でも0.51mmol/gに留まっている。
また、第2の方法は、パーフルオロスルホン酸基を有するモノマーの比率が高くなりすぎると、細孔構造が壊れやすくなる。そのため、第2の方法も同様に、細孔内に導入可能な酸基量に限界があり、最大でも0.2mmol/gに留まっている。
In the method of introducing perfluorosulfonic acid to the inner surface of the mesoporous material, as described above,
(1) a first method of grafting perfluorosulfonic acid groups on the surfaces of pores of a pre-synthesized mesoporous silica; and
(2) Second method of co-condensation polymerization of a monomer having a long molecular length having a perfluorosulfonic acid group in the presence of a surfactant and a monomer (for example, tetraethoxysilane) that forms a skeleton of a mesopore wall ,
It has been known.
However, in the first method, it is difficult to uniformly introduce a precursor to be a perfluorosulfonic acid group into the mesopores. For this reason, the first method has a limit in the amount of acid groups that can be introduced into the pores, and remains at a maximum of 0.51 mmol / g.
In the second method, if the ratio of the monomer having a perfluorosulfonic acid group is too high, the pore structure is easily broken. For this reason, the amount of acid groups that can be introduced into the pores is also limited in the second method, and the maximum is only 0.2 mmol / g.

本発明が解決しようとする課題は、従来に比べて導入可能な酸基量の限界値が格段に大きい有機/無機ハイブリッド型のメソ多孔体電解質を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide an organic / inorganic hybrid type mesoporous electrolyte having a much larger limit value of the amount of acid groups that can be introduced than in the prior art.

上記課題を解決するために本発明に係るメソ多孔体電解質は、
シリカからなり、メソ細孔が規則配列しているメソ多孔体と、
前記メソ細孔の内表面を修飾する(1)式で表されるパーフルオロスルホン酸基と
を備えていることを要旨とする。
−[C(H、F)2]n−X−(CF2)m−SO3H ・・・(1)
但し、
Xは、O又は直接結合、
n、mは、それぞれ、1以上3以下の整数。
In order to solve the above problems, the mesoporous electrolyte according to the present invention is
A mesoporous material composed of silica and regularly arranged mesopores;
The gist is that it comprises a perfluorosulfonic acid group represented by the formula (1) for modifying the inner surface of the mesopores.
- [C (H, F) 2] n -X- (CF 2) m -SO 3 H ··· (1)
However,
X is O or a direct bond,
n and m are each an integer of 1 or more and 3 or less.

界面活性剤共存下において、メソ多孔体の骨格を形成するための第1前駆体と、メソ細孔の内表面をパーフルオロスルホン酸基で修飾するための第2前駆体とを共縮重合させると、メソ細孔の内表面がパーフルオロスルホン酸基で修飾されたメソ多孔体電解質が得られる。この時、第2前駆体として、相対的に分子長が短いもの(具体的には、総炭素数が6以下であるもの)を用いると、メソ細孔内に導入可能な酸基量が飛躍的に増大する。これは、分子長の短い第2前駆体を用いて共縮重合させると、第2前駆体による立体障害が緩和され、多量の酸基を導入しても細孔構造が壊れにくくなるためと考えられる。   In the presence of a surfactant, the first precursor for forming the skeleton of the mesoporous material and the second precursor for modifying the inner surface of the mesopores with perfluorosulfonic acid groups are co-condensation polymerized. As a result, a mesoporous electrolyte in which the inner surface of the mesopores is modified with a perfluorosulfonic acid group is obtained. At this time, if a second precursor having a relatively short molecular length (specifically, having a total carbon number of 6 or less) is used, the amount of acid groups that can be introduced into the mesopores is dramatically increased. Increase. This is because co-condensation polymerization using a second precursor having a short molecular length alleviates the steric hindrance caused by the second precursor and makes it difficult to break the pore structure even when a large amount of acid groups are introduced. It is done.

図1(a)は、プロトン伝導測定に用いた4端子電極基板の概略構成図である。図1(b)は、プロトン伝導測定に用いた装置の概略構成図である。FIG. 1A is a schematic configuration diagram of a four-terminal electrode substrate used for proton conduction measurement. FIG.1 (b) is a schematic block diagram of the apparatus used for the proton conduction measurement. パーフルオロスルホン酸メソ細孔膜(TMOS/FTFTESBS=0.99g/1.6g)のX線回折パターンである。It is an X-ray diffraction pattern of a perfluorosulfonic acid mesoporous membrane (TMOS / FTFEBS = 0.99 g / 1.6 g). 図3(a)及び図3(b)は、それぞれ、パーフルオロスルホン酸メソ細孔膜(TMOS/FTFTESBS=0.99g/1.6g)のクリプトン吸着等温線及び細孔分布曲線である。3 (a) and 3 (b) are a krypton adsorption isotherm and a pore distribution curve of a perfluorosulfonic acid mesoporous membrane (TMOS / FTTEBSBS = 0.99 g / 1.6 g), respectively. 酸基密度の異なるパーフルオロスルホン酸メソ細孔膜及びナフィオン(登録商標)膜の相対湿度と25℃におけるプロトン伝導度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the relative humidity and proton conductivity in 25 degreeC of the perfluorosulfonic acid mesopore membrane and Nafion (trademark) membrane from which an acid group density differs. パーフルオロスルホン酸メソ細孔膜及びナフィオン(登録商標)膜のスルホン酸量と、25℃におけるプロトン伝導度が0.01S/cmになる時の相対湿度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the sulfonic acid amount of a perfluorosulfonic acid mesopore membrane and a Nafion (trademark) membrane, and relative humidity when the proton conductivity in 25 degreeC becomes 0.01 S / cm.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. メソ多孔体電解質]
本発明に係るメソ多孔体電解質は、メソ多孔体と、パーフルオロスルホン酸基とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Mesoporous electrolyte]
The mesoporous electrolyte according to the present invention includes a mesoporous body and a perfluorosulfonic acid group.

[1.1. メソ多孔体]
本発明において、「メソ多孔体」とは、シリカからなり、かつメソ細孔が規則配列しているものをいう。
シリカは、メソ多孔体の製造が比較的容易であるので、メソ多孔体の骨格を構成する材料として好適である。メソ多孔体は、シリカのみからなるものが好ましいが、不可避的不純物が含まれていても良い。
[1.1. Mesoporous material]
In the present invention, the “mesoporous material” refers to a material made of silica and having mesopores regularly arranged.
Silica is suitable as a material constituting the skeleton of the mesoporous material because it is relatively easy to produce the mesoporous material. The mesoporous material is preferably composed only of silica, but may contain inevitable impurities.

「メソ細孔」とは、ゼオライトに含まれる空間より大きなナノ空間(1.5〜50nm)をいう。後述するように、メソ多孔体の骨格となる第1の前駆体と、パーフルオロスルホン酸基となる第2の前駆体とを共縮重合させる場合において、界面活性剤を共存させると、界面活性剤がミセルを形成し、自己組織化する。その結果、メソ細孔が規則配列しているメソ多孔体と、メソ細孔内に充填された界面活性剤とを備えた複合体が得られる。
ミセル(すなわち、メソ細孔)の形状及び配列状態は、溶液組成(特に、界面活性剤の種類や濃度及びpH)により制御することができる。例えば、一般に、界面活性剤の濃度が低いときには球状のミセルが形成されやすく、界面活性剤の濃度が高いときにはパイプ状のミセルが形成されやすい。また、ミセルは、溶液組成に応じて、三次元的立方構造、二次元ヘキサゴナル構造、三次元ヘキサゴナル構造などの各種の配列構造をとる。
本発明において、メソ細孔は、規則配列していれば良く、その形状及び配列構造は、特に限定されるものではない。
“Mesopore” refers to a nanospace (1.5 to 50 nm) larger than the space contained in zeolite. As will be described later, in the case of co-condensation polymerization of the first precursor that becomes the skeleton of the mesoporous material and the second precursor that becomes the perfluorosulfonic acid group, The agent forms micelles and self-assembles. As a result, a composite including a mesoporous material in which mesopores are regularly arranged and a surfactant filled in the mesopores is obtained.
The shape and arrangement state of micelles (ie, mesopores) can be controlled by the solution composition (particularly, the type, concentration and pH of the surfactant). For example, in general, spherical micelles are easily formed when the surfactant concentration is low, and pipe-like micelles are easily formed when the surfactant concentration is high. The micelles have various arrangement structures such as a three-dimensional cubic structure, a two-dimensional hexagonal structure, and a three-dimensional hexagonal structure depending on the solution composition.
In the present invention, the mesopores only need to be regularly arranged, and the shape and arrangement structure are not particularly limited.

[1.2. パーフルオロスルホン酸基]
本発明において、「パーフルオロスルホン酸基」とは、メソ細孔の内表面を修飾する酸基であり、(1)式で表される構造を備えたものをいう。
−[C(H、F)2]n−X−(CF2)m−SO3H ・・・(1)
但し、
Xは、O又は直接結合、
n、mは、それぞれ、1以上3以下の整数。
[1.2. Perfluorosulfonic acid group]
In the present invention, the “perfluorosulfonic acid group” is an acid group that modifies the inner surface of the mesopore and has a structure represented by the formula (1).
- [C (H, F) 2] n -X- (CF 2) m -SO 3 H ··· (1)
However,
X is O or a direct bond,
n and m are each an integer of 1 or more and 3 or less.

(1)式中、「−[C(H、F)2]n−」は、アルキレン基を表す。アルキレン基は、C−H結合のみを含むものでも良く、あるいは、Hの全部又は一部がFに置換されていても良い。また、アルキレン基は、直鎖状又は分岐状のいずれであっても良い。
(1)式中、「−(CF2)m−」は、パーフルオロアルキレン基を表す。パーフルオロアルキレン基の末端にSO3H基を結合させると、電気陰性度の大きいF原子によって、末端のSO3H基の酸強度が増大する。
アルキレン基とパーフルオロアルキレン基は、直接結合していても良く、あるいは、O原子を介して結合していても良い。
アルキレン基及びパーフルオロアルキレン基のいずれも、炭素数が多くなりすぎると、メソ細孔内に導入可能な酸基量の限界値が小さくなる。従って、これらの炭素数は、それぞれ、3以下が好ましい。
(1) In the formula, “— [C (H, F) 2 ] n —” represents an alkylene group. The alkylene group may contain only a C—H bond, or all or part of H may be substituted with F. Further, the alkylene group may be linear or branched.
(1) In the formula, “— (CF 2 ) m —” represents a perfluoroalkylene group. When the SO 3 H group is bonded to the terminal of the perfluoroalkylene group, the acid strength of the terminal SO 3 H group is increased by the F atom having a high electronegativity.
The alkylene group and the perfluoroalkylene group may be directly bonded or may be bonded via an O atom.
If both the alkylene group and the perfluoroalkylene group have too many carbon atoms, the limit value of the amount of acid groups that can be introduced into the mesopores becomes small. Therefore, these carbon numbers are each preferably 3 or less.

パーフルオロスルホン酸基は、メソ多孔体に含まれるSiと結合した状態にある。次の(a)式に、Siを含むメソ多孔体の表面に、−(CH2)3−O−(CF2)2−SO3H基が結合しているメソ多孔体電解質の一例を示す。 The perfluorosulfonic acid group is in a state bonded to Si contained in the mesoporous material. The following formula (a) shows an example of a mesoporous electrolyte in which — (CH 2 ) 3 —O— (CF 2 ) 2 —SO 3 H groups are bonded to the surface of a mesoporous material containing Si. .

Figure 0005343669
Figure 0005343669

[1.3. 酸基密度]
本発明において、(1)式で表されるパーフルオロスルホン酸基を用いてメソ細孔の内表面を修飾しているので、従来の方法に比べて、導入可能な酸基量の限界値が格段に大きい。後述する方法を用いると、酸基密度が0.52mmol/g以上であるメソ多孔体電解質が得られる。
25℃、相対湿度40%RH以上の条件下において、0.01S/cm以上のプロトン伝導度を得るためには、酸基密度は、0.55mmol/g以上が好ましい。
25℃、相対湿度35%RH以上の条件下において、0.01S/cm以上のプロトン伝導度を得るためには、酸基密度は、0.90mmol/g以上が好ましい。
25℃、相対湿度30%RH以上の条件下において、0.01S/cm以上のプロトン伝導度を得るためには、酸基密度は、1.25mmol/g以上が好ましい。
さらに、25℃、相対湿度27%RH以上の条件下において、0.01S/cm以上のプロトン伝導度を得るためには、酸基密度は、1.45mmol/g以上が好ましい。
[1.3. Acid group density]
In the present invention, since the inner surface of the mesopores is modified using the perfluorosulfonic acid group represented by the formula (1), the limit value of the amount of acid groups that can be introduced is smaller than that of the conventional method. It is much bigger. When a method described later is used, a mesoporous electrolyte having an acid group density of 0.52 mmol / g or more can be obtained.
In order to obtain a proton conductivity of 0.01 S / cm or more under conditions of 25 ° C. and a relative humidity of 40% RH or more, the acid group density is preferably 0.55 mmol / g or more.
In order to obtain a proton conductivity of 0.01 S / cm or more under conditions of 25 ° C. and a relative humidity of 35% RH or more, the acid group density is preferably 0.90 mmol / g or more.
In order to obtain a proton conductivity of 0.01 S / cm or more under conditions of 25 ° C. and a relative humidity of 30% RH or more, the acid group density is preferably 1.25 mmol / g or more.
Furthermore, in order to obtain a proton conductivity of 0.01 S / cm or more under conditions of 25 ° C. and a relative humidity of 27% RH or more, the acid group density is preferably 1.45 mmol / g or more.

[1.4. 形状]
本発明に係るメソ多孔体電解質は、製造方法に応じて、膜状又は粉末状の形態を取る。膜状のメソ多孔体電解質は、そのまま各種電気化学デバイスの電解質膜として使用することができる。また、粉末状のメソ多孔体電解質は、そのまま各種電気化学デバイスの触媒層内電解質として使用することができる。
一方、粉末状のメソ多孔体電解質を各種電気化学デバイスの電解質膜として使用するためには、粉末状のメソ多孔体電解質を膜化する必要がある。
粉末状のメソ多孔体電解質を膜化する方法としては、
(1)メソ多孔体電解質の粉末のみをプレス成形する方法、
(2)メソ多孔体電解質の粉末と、高分子化合物(例えば、ポリテトラフルオロエチレンなど)とを混合し、膜化する方法、
(3)メソ多孔体電解質の粉末と、高分子電解質(例えば、ポリパーフルオロカーボンスルホン酸など)とを混合し、膜化する方法、
などがある。
[1.4. shape]
The mesoporous electrolyte according to the present invention takes the form of a film or powder depending on the production method. The membranous mesoporous electrolyte can be used as it is as an electrolyte membrane for various electrochemical devices. Further, the powdered mesoporous electrolyte can be used as it is as the electrolyte in the catalyst layer of various electrochemical devices.
On the other hand, in order to use a powdery mesoporous electrolyte as an electrolyte membrane for various electrochemical devices, it is necessary to form a powdery mesoporous electrolyte into a membrane.
As a method for forming a powdered mesoporous electrolyte into a membrane,
(1) A method of press-molding only mesoporous electrolyte powder,
(2) A method of mixing a mesoporous electrolyte powder and a polymer compound (for example, polytetrafluoroethylene) to form a film,
(3) A method of mixing a mesoporous electrolyte powder with a polymer electrolyte (for example, polyperfluorocarbon sulfonic acid) to form a film,
and so on.

[2. メソ多孔体電解質の製造方法]
本発明に係るメソ多孔体電解質の製造方法は、複合体製造工程と、骨格強化工程と、界面活性剤除去工程と、プロトン化工程とを備えている。
[2. Method for producing mesoporous electrolyte]
The method for producing a mesoporous electrolyte according to the present invention includes a composite production process, a skeleton strengthening process, a surfactant removing process, and a protonation process.

[2.1. 複合体製造工程]
複合体製造工程は、界面活性剤共存下において、メソ多孔体の骨格を形成するための第1前駆体と、メソ細孔の内表面をパーフルオロスルホン酸基で修飾するための第2前駆体とを共縮重合させ、メソ多孔体のメソ細孔内に界面活性剤が充填された複合体を得る工程である。
[2.1. Complex production process]
In the composite production process, in the presence of a surfactant, a first precursor for forming a skeleton of a mesoporous body and a second precursor for modifying the inner surface of the mesopores with perfluorosulfonic acid groups Is obtained by co-condensation polymerization to obtain a composite in which the surfactant is filled in the mesopores of the mesoporous material.

[2.1.1. 第1前駆体]
「第1前駆体」とは、メソ多孔体の骨格を形成するための原料をいう。第1前駆体は、シリカを主成分とするメソ多孔体の骨格を形成することができ、かつ、後述する第2前駆体と共重合可能なものであれば良い。
[2.1.1. First precursor]
The “first precursor” refers to a raw material for forming a skeleton of a mesoporous material. The first precursor may be any mesoporous material that can form a skeleton of a mesoporous material mainly composed of silica and can be copolymerized with a second precursor described later.

第1前駆体としては、具体的には、以下のようなものがある。これらは、いずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
(1)テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシランなどのテトラアルコキシシラン。
(2)トリメトキシシラノール、トリエトキシシラノール、トリメトキシメチルシラン、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、トリエトキシ−3−グリシドキシプロピルシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、γ−(メタクリロキシプロピル)トリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシランなどのトリアルコキシシラン。
(3)ジメトキシジメチルシラン、ジエトキシジメチルシラン、ジエトキシ−3−グリシドキシプロピルメチルシラン、ジメトキシジフェニルシラン、ジメトキシメチルフェニルシランなどのジアルコキシシラン。
(4)メタケイ酸ナトリウム(Na2SiO3)、オルトケイ酸ナトリウム(Na4SiO4)、二ケイ酸ナトリウム(Na2Si25)、四ケイ酸ナトリウム(Na2Si49)、水ガラス(Na2O・nSiO2、n=2〜4)などのケイ酸ナトリウム。
(5)カネマイト(NaHSi25・3H2O)、二ケイ酸ナトリウム結晶(α、β、γ、δ−Na2Si25)、マカタイト(Na2Si49)、アイアライト(Na2Si817・xH2O)、マガディアイト(Na2Si1417・xH2O)、ケニヤイト(Na2Si2041・xH2O)などの層状シリケート。
(6)Ultrasil(Ultrasil社)、Cab-O-Sil(Cabot社)、HiSil(Pittsburgh Plate Glass社)等の沈降性シリカ、コロイダルシリカ、Aerosil(Degussa-Huls社)等のフュームドシリカ。
(7)テトラキス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、テトラキス(3−ヒドロキシプロポキシ)シラン、テトラキス(2−ヒドロキシプロキシ)シラン、テトラキス(2,3−ジヒドロキシプロポキシ)シランなどのテトラキス(ヒドロキシアルコキシ)シラン。
(8)メチルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、エチルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、フェニルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、3−メルカプトプロピルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、3−アミノプロピルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、3−クロロプロピルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シランなどのトリス(ヒドロキシアルコキシ)シラン。
これらの中でも、テトラメトキシシラン(Si(OCH3)4)、及び、テトラエトキシシラン(Si(OC25)4)は、結晶性の良好なメソ多孔体が得られるので、第1前駆体として特に好適である。
Specific examples of the first precursor include the following. Any one of these may be used, or two or more may be used in combination.
(1) Tetraalkoxysilanes such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, and dimethoxydiethoxysilane.
(2) Trimethoxysilanol, triethoxysilanol, trimethoxymethylsilane, trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, triethoxy-3-glycidoxypropylsilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, γ- (methacryloxypropyl) trimethoxysilane, β- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, etc. Trialkoxysilane.
(3) Dialkoxysilanes such as dimethoxydimethylsilane, diethoxydimethylsilane, diethoxy-3-glycidoxypropylmethylsilane, dimethoxydiphenylsilane, and dimethoxymethylphenylsilane.
(4) Sodium metasilicate (Na 2 SiO 3 ), sodium orthosilicate (Na 4 SiO 4 ), sodium disilicate (Na 2 Si 2 O 5 ), sodium tetrasilicate (Na 2 Si 4 O 9 ), water Sodium silicate such as glass (Na 2 O · nSiO 2 , n = 2 to 4).
(5) Kanemite (NaHSi 2 O 5 .3H 2 O), sodium disilicate crystals (α, β, γ, δ-Na 2 Si 2 O 5 ), macatite (Na 2 Si 4 O 9 ), eyelite ( Na 2 Si 8 O 17 · xH 2 O), magadiite (Na 2 Si 14 O 17 · xH 2 O), kenyaite (Na 2 Si 20 O 41 · xH 2 O) layered silicates, such as.
(6) Fumed silica such as precipitated silica such as Ultrasil (Ultrasil), Cab-O-Sil (Cabot), HiSil (Pittsburgh Plate Glass), colloidal silica, Aerosil (Degussa-Huls).
(7) Tetrakis (hydroxyhydroxy) silane, tetrakis (3-hydroxypropoxy) silane, tetrakis (2-hydroxyproxy) silane, tetrakis (2,3-dihydroxypropoxy) silane and the like.
(8) Methyltris (2-hydroxyethoxy) silane, ethyltris (2-hydroxyethoxy) silane, phenyltris (2-hydroxyethoxy) silane, 3-mercaptopropyltris (2-hydroxyethoxy) silane, 3-aminopropyltris ( Tris (hydroxyalkoxy) silanes such as 2-hydroxyethoxy) silane and 3-chloropropyltris (2-hydroxyethoxy) silane.
Among these, tetramethoxysilane (Si (OCH 3 ) 4 ) and tetraethoxysilane (Si (OC 2 H 5 ) 4 ) can obtain a mesoporous material having good crystallinity, and therefore the first precursor. Is particularly suitable.

なお、第1前駆体として、アルコキシシラン、ヒドロキシアルコキシシラン等のシラン化合物を用いる場合には、これをそのまま出発原料として用いる。
一方、第1前駆体としてシラン化合物以外の化合物を用いる場合には、予め、水(又は、必要に応じてアルコールが添加されたアルコール水溶液)に第1前駆体を加えて、水酸化ナトリウム等の塩基性物質を加える。塩基性物質の添加量は、第1前駆体中のケイ素原子と等モル程度の量とするのが好ましい。シラン化合物以外の第1前駆体を含む溶液に塩基性物質を加えると、第1前駆体中に既に形成されているSi−(O−Si)4結合の一部が切断され、均一な溶液が得られる。溶液中に含まれる塩基性物質の量は、複合体の収量や気孔率に影響を及ぼすので、均一な溶液が得られた後、溶液に希薄酸溶液を加え、溶液中に存在する過剰の塩基性物質を中和させる。希薄酸溶液の添加量は、第1前駆体中のケイ素原子に対して1/2〜3/4倍モルに相当する量が好ましい。
In addition, when using silane compounds, such as an alkoxysilane and a hydroxy alkoxysilane, as a 1st precursor, this is used as a starting material as it is.
On the other hand, when a compound other than the silane compound is used as the first precursor, the first precursor is added to water (or an alcohol aqueous solution to which alcohol is added if necessary) in advance, such as sodium hydroxide. Add basic material. The addition amount of the basic substance is preferably about equimolar to the silicon atom in the first precursor. When a basic substance is added to a solution containing a first precursor other than a silane compound, a part of the Si— (O—Si) 4 bond already formed in the first precursor is cleaved, resulting in a uniform solution. can get. Since the amount of basic substance contained in the solution affects the yield and porosity of the complex, after a homogeneous solution is obtained, a dilute acid solution is added to the solution, and excess base present in the solution is added. Neutralize sex substances. The amount of the diluted acid solution added is preferably an amount corresponding to 1/2 to 3/4 times moles of silicon atoms in the first precursor.

[2.1.2. 第2前駆体]
「第2前駆体」とは、メソ細孔の内表面をパーフルオロスルホン酸基で修飾するための原料をいう。本発明において、第2前駆体には、次の(2)式で表されるものを用いる。(2)式で表される第2前駆体は、第1前駆体との共縮重合が容易であり、しかも、メソ細孔内に多量の酸基を導入するのが容易であるという利点がある。
3Si−[C(H、F)2]n−X−(CF2)m−SO2F ・・・(2)
但し、
Zは、−OCH3、−OC25、又は、ハロゲン、
Xは、O又は直接結合、
n、mは、それぞれ、1以上3以下の整数。
(2)式中、Zは、互いに同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。
[2.1.2. Second precursor]
The “second precursor” refers to a raw material for modifying the inner surface of the mesopores with a perfluorosulfonic acid group. In the present invention, the second precursor is represented by the following formula (2). The second precursor represented by the formula (2) has an advantage that co-condensation polymerization with the first precursor is easy, and that it is easy to introduce a large amount of acid groups into the mesopores. is there.
Z 3 Si- [C (H, F) 2] n -X- (CF 2) m -SO 2 F ··· (2)
However,
Z is —OCH 3 , —OC 2 H 5 , or halogen,
X is O or a direct bond,
n and m are each an integer of 1 or more and 3 or less.
(2) In formula, Z may mutually be the same or may differ.

次の(2a)式に、第2前駆体の一種であるフルオロ(1,1,2,2−テトラフルオロ−2−(4,4,4−トリエトキシ−4−シラブトキシ)エチル)スルホン)(FTFTESBS)の構造式を示す。   In the following formula (2a), a kind of second precursor, fluoro (1,1,2,2-tetrafluoro-2- (4,4,4-triethoxy-4-silaboxy) ethyl) sulfone) (FTFTESBS ) Is shown.

Figure 0005343669
Figure 0005343669

(2)式で表される第2前駆体は、市販されているか、あるいは、類似の分子構造を持つ化合物を出発原料に用いて、公知の方法により合成することができる。
例えば、FTFTESBSは、白金触媒を用いて、CH2=CHCH2O(CF2)2SO2FをHSi(OEt)3で、脱水トルエン下でハイドロシリル化することにより、室温下で合成することができる。
The second precursor represented by the formula (2) is commercially available, or can be synthesized by a known method using a compound having a similar molecular structure as a starting material.
For example, FTTEBS can be synthesized at room temperature by hydrosilylating CH 2 = CHCH 2 O (CF 2 ) 2 SO 2 F with HSi (OEt) 3 under dehydrated toluene using a platinum catalyst. Can do.

[2.1.3. 界面活性剤]
界面活性剤は、メソ細孔を形成するためのテンプレートとなる。界面活性剤には、カチオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤のいずれも使用することができる。使用する界面活性剤の種類に応じて、メソ多孔体中の細孔構造を変化させることができる。
[2.1.3. Surfactant]
The surfactant serves as a template for forming mesopores. As the surfactant, any of a cationic surfactant, an anionic surfactant, and a nonionic surfactant can be used. Depending on the type of surfactant to be used, the pore structure in the mesoporous material can be changed.

カチオン系界面活性剤としては、具体的には、次の(3)式で表されるアルキル4級アンモニウム塩などがある。
CH3−(CH2)n−N+(R1)(R2)(R3)X- ・・・(3)
(3)式中、R1、R2、R3は、それぞれ、炭素数が1〜3のアルキル基を表す。R1、R2、及び、R3は、互いに同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。アルキル4級アンモニウム塩同士の凝集(ミセルの形成)を容易化するためには、R1、R2、及び、R3は、すべて同一であることが好ましい。さらに、R1、R2、及び、R3の少なくとも1つは、メチル基が好ましく、すべてがメチル基であることが好ましい。
(3)式中、Xはハロゲン原子を表す。ハロゲン原子の種類は特に限定されないが、入手の容易さからXは、Cl又はBrが好ましい。
(3)式中、nは7〜21の整数を表す。
Specific examples of the cationic surfactant include alkyl quaternary ammonium salts represented by the following formula (3).
CH 3 — (CH 2 ) n —N + (R 1 ) (R 2 ) (R 3 ) X (3)
(3) In the formula, R 1, R 2, R 3 are each carbon atoms represent a 1-3 alkyl group. R 1 , R 2 and R 3 may be the same as or different from each other. In order to facilitate aggregation (formation of micelles) between alkyl quaternary ammonium salts, it is preferable that R 1 , R 2 , and R 3 are all the same. Further, at least one of R 1 , R 2 , and R 3 is preferably a methyl group, and all are preferably methyl groups.
(3) In formula, X represents a halogen atom. Although the kind of halogen atom is not particularly limited, X is preferably Cl or Br in view of availability.
(3) In formula, n represents the integer of 7-21.

アニオン系の界面活性剤としては、具体的には、脂肪酸塩、アルキルスルホン酸塩、アルキルリン酸塩などがある。
ノニオン系界面活性剤としては、具体的には、ポリエチレンオキサイド系非イオン性界面活性剤、1級アルキルアミンなどがある。
Specific examples of the anionic surfactant include fatty acid salts, alkyl sulfonates, and alkyl phosphates.
Specific examples of nonionic surfactants include polyethylene oxide nonionic surfactants and primary alkylamines.

複合体を合成する場合において、1種類の界面活性剤を用いても良く、あるいは、2種以上を用いても良い。しかしながら、界面活性剤は、複合体中にメソ細孔を形成するためのテンプレートとなるので、その種類は、メソ細孔の形状に大きな影響を与える。より均一なメソ細孔を有する複合体を合成するためには、1種類の界面活性剤を用いるのが好ましい。   When synthesizing the complex, one type of surfactant may be used, or two or more types may be used. However, since the surfactant serves as a template for forming mesopores in the composite, the type greatly affects the shape of the mesopores. In order to synthesize a complex having more uniform mesopores, it is preferable to use one type of surfactant.

[2.1.4. 溶媒]
原料を溶解させる溶媒は、第1前駆体及び第2前駆体の種類に応じて最適なものを選択する。溶媒には、通常、水、アルコール、水とアルコールの混合溶媒などを用いる。アルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール等の1価のアルコール、エチレングリコール等の2価のアルコール、グリセリン等の3価のアルコールのいずれでも良い。
[2.1.4. solvent]
As the solvent for dissolving the raw material, an optimal solvent is selected according to the types of the first precursor and the second precursor. As the solvent, water, alcohol, a mixed solvent of water and alcohol, or the like is usually used. The alcohol may be any of monovalent alcohols such as methanol, ethanol, and propanol, divalent alcohols such as ethylene glycol, and trivalent alcohols such as glycerin.

[2.1.5. 触媒]
第1前駆体及び第2前駆体を縮重合させ、メソ多孔体を得るためには、一般に、第1前駆体及び第2前駆体を含む溶液に触媒を加える。触媒は、第1前駆体及び第2前駆体の種類に応じて、最適なものを選択する。
例えば、シリカを含む粒子状のメソ多孔体を合成する場合、触媒には、水酸化ナトリウム、アンモニア水等のアルカリを用いるのが好ましい。
また、例えば、シリカを含む膜状のメソ多孔体を合成する場合、触媒には、塩酸、硝酸、ホウ酸、臭素酸、フッ素酸、硫酸、リン酸などの酸を用いるのが好ましい。
[2.1.5. catalyst]
In order to polycondensate the first precursor and the second precursor to obtain a mesoporous material, a catalyst is generally added to a solution containing the first precursor and the second precursor. The optimum catalyst is selected according to the types of the first precursor and the second precursor.
For example, when a particulate mesoporous material containing silica is synthesized, an alkali such as sodium hydroxide or aqueous ammonia is preferably used as the catalyst.
For example, when synthesizing a mesoporous film containing silica, an acid such as hydrochloric acid, nitric acid, boric acid, bromic acid, fluoric acid, sulfuric acid, or phosphoric acid is preferably used as the catalyst.

[2.1.6. 溶液組成]
溶媒の種類、第1前駆体及び第2前駆体の濃度及び比率、界面活性剤の種類及び濃度、触媒の種類及び濃度などの溶液組成は、出発原料の種類やメソ多孔体電解質に要求される特性に応じて、最適なものを選択するのが好ましい。
[2.1.6. Solution composition]
Solution compositions such as the type of solvent, the concentration and ratio of the first precursor and the second precursor, the type and concentration of the surfactant, the type and concentration of the catalyst are required for the type of starting material and the mesoporous electrolyte. It is preferable to select an optimum one according to the characteristics.

例えば、粒子を合成する場合において、溶媒中のアルコール含有量は、粒径及び粒度分布に影響を与える。一般に、アルコール含有量が少ないほど、粒径の小さいメソ多孔体が得られる。しかしながら、アルコール含有量が少なすぎる場合及び過剰である場合のいずれも、粒径及び粒度分布の制御が困難となる。
例えば、粒子を合成する場合、溶媒中のアルコール含有量は、30〜80vol%が好ましく、さらに好ましくは、40〜70vol%である。
For example, when synthesizing particles, the alcohol content in the solvent affects the particle size and particle size distribution. In general, the smaller the alcohol content, the smaller the mesoporous material having a smaller particle size. However, it is difficult to control the particle size and the particle size distribution both when the alcohol content is too low and when the alcohol content is excessive.
For example, when synthesize | combining particle | grains, 30-80 vol% is preferable and, as for alcohol content in a solvent, More preferably, it is 40-70 vol%.

また、例えば、第1前駆体及び第2前駆体の比率は、メソ多孔体電解質の酸基密度に影響を与える。一般に、第1前駆体に対する第2前駆体の比率が高くなるほど、酸基密度の高いメソ多孔体電解質が得られる。
一方、第2前駆体の比率が過剰になると、細孔構造が壊れやすくなる。しかしながら、本発明においては、上述した条件を満たす第2前駆体を用いているので、従来の方法に比べて、細孔構造を壊すことなく導入可能な酸基量が著しく増大する。
For example, the ratio of the first precursor and the second precursor affects the acid group density of the mesoporous electrolyte. In general, the higher the ratio of the second precursor to the first precursor, the higher the mesoporous electrolyte with a higher acid group density.
On the other hand, when the ratio of the second precursor is excessive, the pore structure is easily broken. However, in the present invention, since the second precursor that satisfies the above-described conditions is used, the amount of acid groups that can be introduced without breaking the pore structure is significantly increased as compared with the conventional method.

また、例えば、薄膜を合成する場合において、溶液中の前駆体の濃度が低すぎると、溶液の粘度が低下し、均一な膜が得られない。また、粒子を合成する場合において、溶液中の前駆体の濃度が低すぎると、粒子の収率が低下し、あるいは、粒子の粒径や粒度分布の制御が困難となる。
一方、薄膜を合成する場合において、溶液中の前駆体の濃度が高すぎると、前駆体を鎖状に縮重合させるのが困難となる。また、粒子を合成する場合にいて、溶液中の前駆体の濃度が高すぎると、粒径及び粒度分布の制御が困難となり、粒径の均一性が低下する。
例えば、薄膜を形成する場合、溶媒は、前駆体0.1molに対して0.2〜10molが好ましい。
For example, when synthesizing a thin film, if the concentration of the precursor in the solution is too low, the viscosity of the solution is lowered and a uniform film cannot be obtained. Further, when the particles are synthesized, if the concentration of the precursor in the solution is too low, the yield of the particles is reduced, or it is difficult to control the particle size and particle size distribution of the particles.
On the other hand, when synthesizing a thin film, if the concentration of the precursor in the solution is too high, it becomes difficult to polycondense the precursor into a chain. Further, when the particles are synthesized, if the concentration of the precursor in the solution is too high, it is difficult to control the particle size and the particle size distribution, and the uniformity of the particle size decreases.
For example, when forming a thin film, the solvent is preferably 0.2 to 10 mol with respect to 0.1 mol of the precursor.

また、例えば、界面活性剤の量が少なすぎると、界面活性剤の量が不足し、連続したミセルを形成することができない。
一方、界面活性剤の量が過剰になると、ラメラ状物質が生成し、界面活性剤を除去するとシートの積層物が得られるのみで、メソ多孔体は得られない
例えば、薄膜を合成する場合、界面活性剤は、前駆体0.1molに対して、0.005〜0.05molが好ましい。
さらに、複合体を作製する場合において、界面活性剤の種類や添加量を制御すると、複合体中の細孔構造を制御することができる。
For example, if the amount of the surfactant is too small, the amount of the surfactant is insufficient and continuous micelles cannot be formed.
On the other hand, when the amount of the surfactant becomes excessive, a lamellar substance is generated, and when the surfactant is removed, only a laminate of sheets is obtained, and a mesoporous material cannot be obtained. For example, when a thin film is synthesized, The surfactant is preferably 0.005 to 0.05 mol with respect to 0.1 mol of the precursor.
Furthermore, in the case of producing a composite, the pore structure in the composite can be controlled by controlling the type and addition amount of the surfactant.

また、例えば、薄膜を合成する場合において、溶液中の触媒濃度が低すぎると、加水分解速度及び重縮合速度が遅くなり、薄膜の作製が困難となる。また、粒子を合成する場合において、溶液中の触媒濃度が低すぎると、粒子の収率が極端に低下する。
一方、薄膜を合成する場合において、溶液中の触媒濃度が高すぎると、加水分解速度及び重縮合速度が速くなり過ぎ、均質な重合体が得られない。また、薄膜の結晶性、表面の平滑性、及び、細孔の配向性が不十分となる。また、粒子を合成する場合において、溶液中の触媒濃度が高すぎると、メソ多孔体の合成が困難となる場合がある。
例えば、薄膜を合成する場合、触媒は、前駆体0.1molに対して、1.0〜5.0×10-4molが好ましく、さらに好ましくは、2.0〜4.0×10-4molである。
In addition, for example, when a thin film is synthesized, if the catalyst concentration in the solution is too low, the hydrolysis rate and the polycondensation rate are slowed, making it difficult to produce the thin film. In addition, when the particles are synthesized, if the catalyst concentration in the solution is too low, the yield of the particles is extremely reduced.
On the other hand, when synthesizing a thin film, if the catalyst concentration in the solution is too high, the hydrolysis rate and the polycondensation rate become too fast, and a homogeneous polymer cannot be obtained. Further, the crystallinity of the thin film, the smoothness of the surface, and the orientation of the pores are insufficient. Further, when the particles are synthesized, if the catalyst concentration in the solution is too high, it may be difficult to synthesize the mesoporous material.
For example, when synthesizing a thin film, the catalyst is preferably 1.0 to 5.0 × 10 −4 mol, more preferably 2.0 to 4.0 × 10 −4 mol, relative to 0.1 mol of the precursor. mol.

[2.1.7. 複合体の作製]
粉末状の複合体は、
(1)第1前駆体及び第2前駆体を含む混合液に界面活性剤及び触媒(例えば、アルカリ水溶液)を加えてこれらを反応させ、
(2)生成した粒子を混合液から分離する、
ることにより得られる。
また、膜状の複合体は、
(1)第1前駆体及び第2前駆体を含む混合液に触媒(例えば、酸水溶液)を加えて、第1前駆体及び第2前駆体の加水分解及び部分重合を生じさせ、
(2)第1前駆体及び第2前駆体の部分重合体を含む溶液中に界面活性剤を加えてゾル溶液とし、
(3)ゾル溶液を基板表面に塗布し、溶媒を揮発させる、
ことにより得られる。
[2.1.7. Preparation of composite]
The powdery composite
(1) A surfactant and a catalyst (for example, an alkaline aqueous solution) are added to a mixed solution containing the first precursor and the second precursor to react them,
(2) separating the produced particles from the mixture;
Can be obtained.
In addition, the membrane complex is
(1) A catalyst (for example, an acid aqueous solution) is added to a mixed solution containing the first precursor and the second precursor to cause hydrolysis and partial polymerization of the first precursor and the second precursor,
(2) A surfactant is added to a solution containing a partial polymer of the first precursor and the second precursor to form a sol solution,
(3) A sol solution is applied to the substrate surface, and the solvent is volatilized.
Can be obtained.

第1前駆体及び第2前駆体を含む混合液に触媒として酸又はアルカリを添加すると、第1前駆体及び第2前駆体の加水分解及び部分重合が起こる。この溶液に界面活性剤を添加すると、界面活性剤は、溶液中でミセルを形成する。このミセルが超分子鋳型となり、その周囲に加水分解又は部分重合した第1前駆体及び第2前駆体が吸着する。ミセルの内部には部分重合体が入り込まないため、ミセルの内部は、最終的には細孔部分となる。従って、界面活性剤の分子鎖長を制御することにより、メソ多孔体内部の細孔径を制御することができる。   When an acid or alkali is added as a catalyst to the mixed solution containing the first precursor and the second precursor, hydrolysis and partial polymerization of the first precursor and the second precursor occur. When a surfactant is added to this solution, the surfactant forms micelles in the solution. This micelle becomes a supramolecular template, and the first precursor and the second precursor which are hydrolyzed or partially polymerized are adsorbed around the template. Since the partial polymer does not enter the interior of the micelle, the interior of the micelle eventually becomes a pore portion. Therefore, the pore diameter inside the mesoporous material can be controlled by controlling the molecular chain length of the surfactant.

前駆体を吸着したミセルは、やがて安定な方向に配列する。これを乾燥させ又は溶液中でさらに反応させると、配列したミセル間において前駆体が縮重合する。しかも、第2前駆体は、専らパーフルオロスルホニルフロリド基をミセル側に向けた状態でミセルに吸着する。その結果、メソ多孔体のメソ細孔内に界面活性剤が充填され、かつ、メソ細孔の内壁がパーフルオロスルホニルフロリド基で修飾された複合体が得られる。   The micelles adsorbing the precursor will eventually be arranged in a stable direction. When this is dried or further reacted in solution, the precursor undergoes polycondensation between the arranged micelles. Moreover, the second precursor is adsorbed on the micelle exclusively with the perfluorosulfonyl fluoride group directed to the micelle side. As a result, a composite in which the surfactant is filled into the mesopores of the mesoporous material and the inner wall of the mesopore is modified with a perfluorosulfonyl fluoride group is obtained.

[2.2. 骨格強化工程]
骨格強化工程は、メソ多孔体のメソ細孔内に界面活性剤が充填された複合体の骨格を強化する工程である。
第1前駆体と第2前駆体を共縮重合させた直後の複合体は、骨格の一部にSiの欠損部分がある。そのため、共縮重合直後の複合体から界面活性剤を除去すると、細孔構造が崩壊しやすい。細孔構造の崩壊を防ぐためには、欠損したSiを補い、補われたSiと複合体の骨格との間にSi−O−Si結合を形成する必要がある。
[2.2. Framework strengthening process]
The skeleton strengthening step is a step of strengthening the skeleton of the composite in which the surfactant is filled in the mesopores of the mesoporous material.
The composite immediately after co-condensation polymerization of the first precursor and the second precursor has a Si deficient part in a part of the skeleton. Therefore, when the surfactant is removed from the composite immediately after cocondensation polymerization, the pore structure tends to collapse. In order to prevent the collapse of the pore structure, it is necessary to supplement the deficient Si and form a Si—O—Si bond between the compensated Si and the skeleton of the composite.

複合体の骨格を強化する方法には、種々の方法がある。
中でも、
(1)共縮重合直後の複合体を第1前駆体の蒸気に曝し、Siの欠損部分に第1前駆体を充填し、
(2)第1前駆体が充填された複合体を触媒の蒸気に曝し、欠損部分に充填された第1前駆体と複合体の骨格との間にSi−O−Si結合を形成する、
方法が好適である。
There are various methods for reinforcing the skeleton of the composite.
Above all,
(1) Exposing the composite immediately after co-condensation polymerization to the vapor of the first precursor, filling the Si precursor with the first precursor,
(2) Exposing the composite filled with the first precursor to the vapor of the catalyst to form a Si—O—Si bond between the first precursor filled in the defect portion and the skeleton of the composite;
The method is preferred.

複合体と第1前駆体の蒸気との接触は、オートクレーブに複合体及び第1前駆体を入れ、所定の温度で所定時間保持することにより行うことができる。複合体と触媒の蒸気との接触も、これと同様の方法により行うことができる。
蒸気との接触温度及び接触時間は、複合体の構造、第1前駆体の種類、触媒の種類等に応じて最適な条件を選択する。
例えば、第1前駆体としてTMOS、TEOSなどのアルコキシドを用いる場合、80〜200℃で100〜150時間処理するのが好ましい。
また、例えば、触媒としてアンモニア水を用いる場合、50〜120℃で1〜20時間処理するのが好ましい。
The contact between the composite and the vapor of the first precursor can be performed by placing the composite and the first precursor in an autoclave and holding the composite at a predetermined temperature for a predetermined time. The contact between the composite and the vapor of the catalyst can also be performed by the same method.
As for the contact temperature and the contact time with the vapor, optimum conditions are selected according to the structure of the composite, the type of the first precursor, the type of the catalyst, and the like.
For example, when an alkoxide such as TMOS or TEOS is used as the first precursor, the treatment is preferably performed at 80 to 200 ° C. for 100 to 150 hours.
For example, when using ammonia water as a catalyst, it is preferable to process at 50-120 degreeC for 1 to 20 hours.

[2.3. 界面活性剤除去工程]
界面活性剤除去工程は、複合体から界面活性剤を除去する工程である。界面活性剤の除去方法は、特に限定されるものではなく、界面活性剤の種類や複合体の構造等に応じて最適な方法を選択するのが好ましい。
界面活性剤の除去方法としては、具体的には、
(1)複合体を大気中又は不活性雰囲気下において、300〜1000℃(好ましくは、300〜600℃)で、30分以上(好ましくは、1時間以上)焼成する焼成方法、
(2)複合体を界面活性剤の良溶媒(例えば、少量の塩酸を含むメタノール)中に浸漬し、所定の温度(例えば、50〜70℃)で加熱しながら攪拌し、複合体中の界面活性剤を抽出するイオン交換法、
などがある。
本発明において、複合体は、メソ細孔内の内表面がパーフルオロスルホニルフロリド基で修飾されているので、界面活性剤の除去は、イオン交換法を用いるのが好ましい。
[2.3. Surfactant removal process]
The surfactant removal step is a step of removing the surfactant from the complex. The method for removing the surfactant is not particularly limited, and it is preferable to select an optimum method according to the type of the surfactant, the structure of the complex, and the like.
As a method for removing the surfactant, specifically,
(1) A firing method of firing the composite at 300 to 1000 ° C. (preferably 300 to 600 ° C.) for 30 minutes or more (preferably 1 hour or more) in the air or under an inert atmosphere,
(2) The composite is immersed in a surfactant good solvent (for example, methanol containing a small amount of hydrochloric acid) and stirred while heating at a predetermined temperature (eg, 50 to 70 ° C.), and the interface in the composite An ion exchange method to extract the active agent,
and so on.
In the present invention, since the inner surface of the complex is modified with a perfluorosulfonyl fluoride group, the surfactant is preferably removed by an ion exchange method.

[2.4. プロトン化工程]
プロトン化工程は、メソ細孔の内表面を修飾するパーフルオロスルホニルフロリド基をパーフルオロスルホン酸基に変換する工程である。
パーフルオロスルホニルフロリド基をプロトン化する方法としては、具体的には、
(1)パーフルオロスルホニルフロリド基を備えたメソ多孔体を酸で処理する方法、
(2)パーフルオロスルホニルフロリド基を備えたメソ多孔体をアルカリで処理して、アルカリ塩とした後、さらに酸で処理する方法、
などがある。
[2.4. Protonation process]
The protonation step is a step of converting a perfluorosulfonyl fluoride group that modifies the inner surface of the mesopores to a perfluorosulfonic acid group.
As a method for protonating a perfluorosulfonyl fluoride group, specifically,
(1) A method of treating a mesoporous material having a perfluorosulfonyl fluoride group with an acid,
(2) A method in which a mesoporous material having a perfluorosulfonyl fluoride group is treated with an alkali to form an alkali salt and then further treated with an acid,
and so on.

[3. メソ多孔体電解質の作用]
メソ多孔体の内表面にパーフルオロスルホン酸基を導入するための従来の方法は、いずれも導入可能な酸基密度に限界がある。
これに対し、界面活性剤共存下において、メソ多孔体の骨格を形成するための第1前駆体と、メソ細孔の内表面をパーフルオロスルホン酸基で修飾するための第2前駆体とを共縮重合させると、メソ細孔の内表面がパーフルオロスルホン酸基で修飾されたメソ多孔体電解質が得られる。この時、第2前駆体として、相対的に分子長が短いもの(具体的には、総炭素数が6以下であるもの)を用いると、メソ細孔内に導入可能な酸基量が飛躍的に増大する。これは、分子長の短い第2前駆体を用いて共縮重合させると、第2前駆体による立体障害が緩和され、多量の酸基を導入しても細孔構造が壊れにくくなるためと考えられる。
[3. Action of mesoporous electrolyte]
Any of the conventional methods for introducing perfluorosulfonic acid groups to the inner surface of a mesoporous material has a limit in the density of acid groups that can be introduced.
In contrast, in the presence of a surfactant, a first precursor for forming a skeleton of a mesoporous material and a second precursor for modifying the inner surface of the mesopores with a perfluorosulfonic acid group When co-condensation polymerization is performed, a mesoporous electrolyte in which the inner surface of the mesopores is modified with a perfluorosulfonic acid group is obtained. At this time, if a second precursor having a relatively short molecular length (specifically, having a total carbon number of 6 or less) is used, the amount of acid groups that can be introduced into the mesopores is dramatically increased. Increase. This is because co-condensation polymerization using a second precursor having a short molecular length alleviates the steric hindrance caused by the second precursor and makes it difficult to break the pore structure even when a large amount of acid groups are introduced. It is done.

このような方法により得られるメソ多孔体電解質は、酸基密度が極めて高いので、低湿度条件下でも高いプロトン伝導度を示す。具体的には、酸基密度を最適化することにより、相対湿度10%RHでのプロトン伝導度は、ナフィオン(登録商標)などのパーフルオロカーボンスルホン酸膜より高くなる。また、酸基密度を最適化すると、相対湿度40%RH以上の条件下において、プロトン伝導度は、0.1S/cm以上となる。
さらに、本発明に係るメソ多孔体電解質は、骨格がシリカからなるので、耐熱性が高く、水に溶解又は膨潤するおそれも少ない。そのため、本発明に係るメソ多孔体電解質を燃料電池用の電解質膜に適用すれば、低加湿条件下、あるいは、高温低加湿条件下における発電効率の向上が期待できる。
Since the mesoporous electrolyte obtained by such a method has a very high acid group density, it exhibits high proton conductivity even under low humidity conditions. Specifically, by optimizing the acid group density, proton conductivity at a relative humidity of 10% RH is higher than that of a perfluorocarbon sulfonic acid membrane such as Nafion (registered trademark). Further, when the acid group density is optimized, the proton conductivity is 0.1 S / cm or more under the condition of relative humidity of 40% RH or more.
Furthermore, since the skeleton of the mesoporous electrolyte according to the present invention is made of silica, it has high heat resistance and is less likely to dissolve or swell in water. Therefore, if the mesoporous electrolyte according to the present invention is applied to an electrolyte membrane for a fuel cell, improvement in power generation efficiency under low humidification conditions or high temperature and low humidification conditions can be expected.

(実施例1〜3、比較例1)
[1. 試料の合成]
[1.1 ゾル溶液調製]
原料であるテトラメトキシシラン(TMOS)(0.99g)と、FTFTESBS(1.6g)にエタノール(5.0mL)を添加した。これにH2O(993μL)と2N−HCl(7μL)を加え、室温下、1hr攪拌(200rpm)した。さらに、界面活性剤であるオクタデシルトリメチルアンモニウムクロリド(C14TMA+Cl-)(1.3g)、エタノール(10mL)、H2O(0.1mL)、2N−HCl(10μL)の混合物をTMOS/FTFTESBSゾル溶液に添加し、2hr攪拌(300rpm)した(実施例1、酸基密度:1.6mmol/g)。
同様に、TMOS/FTFTESBS混合比=1.04/1.4g(実施例2、酸基密度:1.2mmol/g)、又は、1.34g/0.47g(実施例3、酸基密度:0.3mmol/g)とした以外は、実施例1と同様にして、ゾル溶液を調製した。
また、比較として、市販のナフィオン(登録商標)膜も試験に供した(比較例1)
(Examples 1 to 3, Comparative Example 1)
[1. Sample synthesis]
[1.1 Preparation of sol solution]
Ethanol (5.0 mL) was added to tetramethoxysilane (TMOS) (0.99 g) as raw materials and FTESBS (1.6 g). H 2 O (993 μL) and 2N-HCl (7 μL) were added thereto, and the mixture was stirred at room temperature for 1 hr (200 rpm). Further, a mixture of the surfactant octadecyltrimethylammonium chloride (C 14 TMA + Cl ) (1.3 g), ethanol (10 mL), H 2 O (0.1 mL), 2N-HCl (10 μL) was added to TMOS / The mixture was added to the FTESBS sol solution and stirred (300 rpm) for 2 hr (Example 1, acid group density: 1.6 mmol / g).
Similarly, TMOS / FTFTESBS mixing ratio = 1.04 / 1.4 g (Example 2, acid group density: 1.2 mmol / g) or 1.34 g / 0.47 g (Example 3, acid group density: A sol solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.3 mmol / g).
For comparison, a commercially available Nafion (registered trademark) membrane was also used for the test (Comparative Example 1).

[1.2 薄膜作製]
[1.1]で作製したゾル溶液を、4端子電極基板にコートした(図1(a)参照)。薄膜をコートした電極基板をオートクレーブに入れ、TMOS(150μL)を添加し、120℃−2hr処理した。次いで、28%NH3水(100μL)を添加し、100℃−2hr処理した。処理後、薄膜を乾燥させた。さらに、薄膜に含まれる界面活性剤を室温下で抽出(1wt%塩酸溶液:エタノール希釈)した。
[1.2 Thin film production]
The four-terminal electrode substrate was coated with the sol solution prepared in [1.1] (see FIG. 1A). The electrode substrate coated with the thin film was placed in an autoclave, TMOS (150 μL) was added, and the substrate was treated at 120 ° C. for 2 hours. Next, 28% NH 3 water (100 μL) was added and treated at 100 ° C. for 2 hr. After the treatment, the thin film was dried. Furthermore, the surfactant contained in the thin film was extracted at room temperature (1 wt% hydrochloric acid solution: diluted with ethanol).

[1.3 薄膜洗浄]
上記方法で得られた薄膜に対して、0.1N−HCl水溶液(RT−2hr)、純水による洗浄(80℃−2hr)を施し、60℃−1hr乾燥させ、パーフルオロスルホン酸メソ細孔膜(メソ多孔体電解質膜)を得た。
[1.3 Thin film cleaning]
The thin film obtained by the above method was washed with 0.1N HCl aqueous solution (RT-2 hr) and pure water (80 ° C.-2 hr), dried at 60 ° C.-1 hr, and perfluorosulfonic acid mesopores. A membrane (mesoporous electrolyte membrane) was obtained.

[2. 試験方法]
[2.1 X線回折]
パーフルオロスルホン酸メソ細孔膜のX線回折パターンを測定した。
[2.2 細孔構造]
パーフルオロスルホン酸メソ細孔膜のBET比表面積、細孔容量、及び細孔サイズを測定した。
[2.3 プロトン伝導度]
パーフルオロスルホン酸メソ細孔膜がコートされた電極基板を、1%H2(窒素希釈)流通下で25℃、相対湿度10〜90%に調製された雰囲気内に挿入した(図1(b)参照)。電極基板の両端2本の電極にピコアンメータを取り付け、0.5V印加した際の電流値を測定した。また、中央2本の電極に電圧計を取り付け、電圧を測定した。測定された電流及び電圧から抵抗値を算出し、プロトン伝導度を求めた。
[2. Test method]
[2.1 X-ray diffraction]
The X-ray diffraction pattern of the perfluorosulfonic acid mesoporous membrane was measured.
[2.2 Pore structure]
The BET specific surface area, pore volume, and pore size of the perfluorosulfonic acid mesoporous membrane were measured.
[2.3 Proton conductivity]
The electrode substrate coated with the perfluorosulfonic acid mesoporous membrane was inserted into an atmosphere prepared at 25 ° C. and a relative humidity of 10 to 90% under a flow of 1% H 2 (diluted with nitrogen) (FIG. 1B). )reference). A picoammeter was attached to the two electrodes on both ends of the electrode substrate, and the current value when 0.5 V was applied was measured. Moreover, the voltmeter was attached to two center electrodes, and the voltage was measured. The resistance value was calculated from the measured current and voltage to determine the proton conductivity.

[3. 結果]
[3.1 X線回折パターン]
図2に、パーフルオロスルホン酸メソ細孔膜(TMOS/FTFTESBS=0.99g/1.0g、酸基密度:1.6mmol/g)のXRDパターンを示す。2.48nmに相当する回折ピークは、メソ細孔に帰属されるピークである。
[3. result]
[3.1 X-ray diffraction pattern]
FIG. 2 shows an XRD pattern of a perfluorosulfonic acid mesoporous membrane (TMOS / FTTEBS = 0.99 g / 1.0 g, acid group density: 1.6 mmol / g). The diffraction peak corresponding to 2.48 nm is a peak attributed to mesopores.

[3.2 細孔構造]
図3(a)及び図3(b)に、それぞれ、パーフルオロスルホン酸メソ細孔膜(TMOS/FTFTESBS=0.99g/1.6g、酸基密度:1.6mmol/g)のクリプトン吸着等温線及び細孔分布曲線を示す。
BET比表面積及び細孔容量は、それぞれ、477m2/g及び0.22mL/gであった。また、BJH法による細孔サイズは、2.2nmであった。
[3.2 Pore structure]
FIG. 3 (a) and FIG. 3 (b) show krypton adsorption isotherms of perfluorosulfonic acid mesoporous membrane (TMOS / FTFEBS = 0.99 g / 1.6 g, acid group density: 1.6 mmol / g), respectively. Lines and pore distribution curves are shown.
The BET specific surface area and pore volume were 477 m 2 / g and 0.22 mL / g, respectively. Moreover, the pore size by BJH method was 2.2 nm.

[3.3 プロトン伝導度]
図4に、25℃におけるパーフルオロスルホン酸メソ細孔膜(酸基密度:1.6mmol/g、1.2mmol/g)及びナフィオン(登録商標)膜のプロトン伝導度と相対湿度との関係を示す。
図4より、
(1)酸基密度1.2mmol/gのパーフルオロスルホン酸メソ細孔膜のプロトン伝導度は、25℃、相対湿度35%RH以上の条件下において、ナフィオン(登録商標)より高くなる、
(2)酸基密度1.6mmol/gのパーフルオロスルホン酸メソ細孔膜のプロトン伝導度は、25℃、相対湿度10%RH以上の条件下において、ナフィオン(登録商標)より高くなる、
(3)酸基密度1.2mmol/g以上のパーフルオロスルホン酸メソ細孔膜のプロトン伝導度は、25℃、相対湿度40%RH以上の条件下において、0.1S/cm以上となる、
ことがわかる。
[3.3 Proton conductivity]
FIG. 4 shows the relationship between proton conductivity and relative humidity of perfluorosulfonic acid mesoporous membranes (acid group density: 1.6 mmol / g, 1.2 mmol / g) and Nafion (registered trademark) membrane at 25 ° C. Show.
From FIG.
(1) The proton conductivity of a perfluorosulfonic acid mesoporous membrane having an acid group density of 1.2 mmol / g is higher than that of Nafion (registered trademark) at 25 ° C. and a relative humidity of 35% RH or more.
(2) The proton conductivity of the perfluorosulfonic acid mesoporous membrane having an acid group density of 1.6 mmol / g is higher than that of Nafion (registered trademark) under conditions of 25 ° C. and a relative humidity of 10% RH or more.
(3) The proton conductivity of the perfluorosulfonic acid mesoporous membrane having an acid group density of 1.2 mmol / g or more is 0.1 S / cm or more under conditions of 25 ° C. and a relative humidity of 40% RH or more.
I understand that.

図5に、パーフルオロスルホン酸メソ細孔膜及びナフィオン(登録商標)膜のスルホン酸量と、25℃におけるプロトン伝導度が0.01S/cmになる時の相対湿度との関係を示す。
図5より、パーフルオロスルホン酸メソ細孔膜において、
(1)酸基密度が0.55mmol/g以上であるときには、25℃、相対湿度40%RH以上の条件下において、0.01S/cm以上のプロトン伝導度が得られる、
(2)酸基密度が0.90mmol/g以上であるときには、25℃、相対湿度35%RH以上の条件下において、0.01S/cm以上のプロトン伝導度がられる、
(3)酸基密度が1.25mmol/g以上であるときには、25℃、相対湿度30%RH以上の条件下において、0.01S/cm以上のプロトン伝導度が得られる、
(4)酸基密度が1.45mmol/g以上であるときには、25℃、相対湿度27%RH以上の条件下において、0.01S/cm以上のプロトン伝導度が得られる、
ことがわかる。
FIG. 5 shows the relationship between the amount of sulfonic acid in the perfluorosulfonic acid mesopore membrane and Nafion (registered trademark) membrane and the relative humidity when the proton conductivity at 25 ° C. is 0.01 S / cm.
From FIG. 5, in the perfluorosulfonic acid mesoporous membrane,
(1) When the acid group density is 0.55 mmol / g or more, a proton conductivity of 0.01 S / cm or more can be obtained at 25 ° C. and a relative humidity of 40% RH or more.
(2) When the acid group density is 0.90 mmol / g or more, proton conductivity of 0.01 S / cm or more is obtained at 25 ° C. and a relative humidity of 35% RH or more.
(3) When the acid group density is 1.25 mmol / g or more, a proton conductivity of 0.01 S / cm or more can be obtained under conditions of 25 ° C. and a relative humidity of 30% RH or more.
(4) When the acid group density is 1.45 mmol / g or more, a proton conductivity of 0.01 S / cm or more is obtained under conditions of 25 ° C. and a relative humidity of 27% RH or more.
I understand that.

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.

本発明に係るメソ多孔体電解質は、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として使用することができる。   The mesoporous electrolyte according to the present invention is an electrolyte 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. Can be used as

Claims (4)

シリカからなり、メソ細孔が規則配列しているメソ多孔体と、
前記メソ細孔の内表面を修飾する(1)式で表されるパーフルオロスルホン酸基と
を備えたメソ多孔体電解質。
−[C(H、F)2]n−X−(CF2)m−SO3H ・・・(1)
但し、
Xは、O又は直接結合、
n、mは、それぞれ、1以上3以下の整数。
A mesoporous material composed of silica and regularly arranged mesopores;
A mesoporous electrolyte comprising a perfluorosulfonic acid group represented by formula (1) that modifies the inner surface of the mesopores.
- [C (H, F) 2] n -X- (CF 2) m -SO 3 H ··· (1)
However,
X is O or a direct bond,
n and m are each an integer of 1 or more and 3 or less.
酸基密度が0.52mmol/g以上である請求項1に記載のメソ多孔体電解質。   The mesoporous electrolyte according to claim 1, wherein the acid group density is 0.52 mmol / g or more. 界面活性剤共存下において、前記メソ多孔体の骨格を形成するための第1前駆体と、前記メソ細孔の内表面をパーフルオロスルホン酸基で修飾するための(2)式で表される第2前駆体とを共縮重合させることにより得られる請求項1又は2に記載のメソ多孔体電解質。
3Si−[C(H、F)2]n−X−(CF2)m−SO2F ・・・(2)
但し、
Zは、−OCH3、−OC25、又はハロゲン、
Xは、O又は直接結合、
n、mは、それぞれ、1以上3以下の整数。
In the presence of a surfactant, the first precursor for forming the skeleton of the mesoporous material and the formula (2) for modifying the inner surface of the mesopores with a perfluorosulfonic acid group The mesoporous electrolyte according to claim 1 or 2, obtained by co-condensation polymerization with a second precursor.
Z 3 Si- [C (H, F) 2] n -X- (CF 2) m -SO 2 F ··· (2)
However,
Z is —OCH 3 , —OC 2 H 5 , or halogen;
X is O or a direct bond,
n and m are each an integer of 1 or more and 3 or less.
形状が膜状又は粒子状である請求項1から3までのいずれかに記載のメソ多孔体電解質。   The mesoporous electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the mesoporous electrolyte is in the form of a film or particles.
JP2009086627A 2009-03-31 2009-03-31 Mesoporous electrolyte Expired - Fee Related JP5343669B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009086627A JP5343669B2 (en) 2009-03-31 2009-03-31 Mesoporous electrolyte

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009086627A JP5343669B2 (en) 2009-03-31 2009-03-31 Mesoporous electrolyte

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2010238598A JP2010238598A (en) 2010-10-21
JP5343669B2 true JP5343669B2 (en) 2013-11-13

Family

ID=43092739

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009086627A Expired - Fee Related JP5343669B2 (en) 2009-03-31 2009-03-31 Mesoporous electrolyte

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5343669B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6024282B2 (en) * 2012-08-21 2016-11-16 株式会社豊田中央研究所 Mesoporous electrolyte
DE102015002008A1 (en) * 2015-02-20 2016-08-25 Dräger Safety AG & Co. KGaA Electrochemical gas sensor and electrolyte for an electrochemical gas sensor

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1202365A4 (en) * 1999-03-08 2006-03-15 Toudai Tlo Ltd ELECTROLYTIC MEMBRANE FOR FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME, AND FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME
JP4958395B2 (en) * 2005-01-13 2012-06-20 国立大学法人大阪大学 Proton conductive membrane, fuel cell using the same, and method for producing the same
JP2007141625A (en) * 2005-11-17 2007-06-07 Canon Inc Solid electrolyte
CN101317296A (en) * 2005-12-01 2008-12-03 加利福尼亚大学董事会 Functionalized inorganic membranes for ion conduction

Also Published As

Publication number Publication date
JP2010238598A (en) 2010-10-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4316874B2 (en) Solid electrolyte
JP4296307B2 (en) Method for producing spherical silica-based mesoporous material
JP4399779B2 (en) Electrolyte particles, positive electrode, negative electrode, and lithium secondary battery
WO2006095845A1 (en) Regularly arranged nanoparticulate silica and process for producing the same
JP4873142B2 (en) Method for producing spherical silica-based mesoporous material
JP2007220414A (en) Catalyst layer and polymer electrolyte fuel cell
JP2007270124A (en) Powdered silica composite particles and production method thereof, silica composite particle dispersion, and resin composition
JP5603566B2 (en) Spherical mesoporous carbon and method for producing the same
JP5182279B2 (en) Lamellar porous electrolyte
JP5343669B2 (en) Mesoporous electrolyte
JP5435272B2 (en) Method for producing spherical silica-based mesoporous material
JP4488191B2 (en) Method for producing spherical silica-based mesoporous material
JP5141948B2 (en) Spherical silica-based mesoporous material having a bimodal pore structure and method for producing the same
JP5978602B2 (en) Electrolytes
JP6024282B2 (en) Mesoporous electrolyte
JP5182620B2 (en) Method for producing solid electrolyte
JP4958072B2 (en) Solid electrolyte
JP4479071B2 (en) Method for producing spherical porous body
JP6519943B2 (en) Spherical silica-based mesoporous material and method for producing the same
JP5262055B2 (en) Spherical silica-based porous body, method for producing the same, and spherical carbon-based porous body
JP4507499B2 (en) Method for producing spherical porous body
JP2006024558A (en) Proton conductive film
JP5332821B2 (en) Mesopore orientation material
JP2005032454A (en) Ion conductive electrolyte membrane, method for producing the same, and fuel cell
JP5212717B2 (en) Fuel cell electrolyte materials

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120118

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130716

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130729

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5343669

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees