JP6043425B2 - パーフルオロポリマイオノマ中の粒子の分散方法 - Google Patents
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Description
一例では、イオノマ前駆体は、約700g/molまたはこれを上回る当量を有する(−SO2F形態の)パーフルオロスルホン酸樹脂である。(−SO2F形態の)パーフルオロスルホン酸樹脂が、部分的にフッ素化されたまたはパーフルオロ化された(一つまたは複数の)溶媒中に溶解されて、溶液を形成する。この溶媒は、これに限定しないが、テトラデカフルオロヘキサン、パーフルオロデカリン、パーフルオロシクロヘキサン、および1,1,1,2,2,3,4,5,5,5−デカフルオロペンタン(HFC 43−10)を含む。溶液温度を上昇させることは、このステップでは(一つまたは複数の)溶媒中のポリマの溶解度を向上させるのに概ね有用である。次いで触媒ナノ粒子が所望の量で溶液に添加されて、目標混合物を生成する。次いで(−SO2F形態の)パーフルオロスルホン酸樹脂が触媒材料を均一に被覆するように、(一つまたは複数の)溶媒が除去される。次にその触媒材料上の(−SO2F形態の)パーフルオロスルホン酸樹脂が、KOHまたはNaOH溶液などの塩基性溶液中で加水分解され、次いで酸ですすぎ洗いまたは洗浄されて、−SO2F基を−SO3H基に変換し、均一な(−SO3H形態の)パーフルオロスルホン酸イオノマが分散された触媒ナノ粒子材料を生じさせる。加水分解および酸性化の条件は一般に周知のものである。例えば、(−SO2F形態の)パーフルオロスルホン酸樹脂で被覆された触媒ナノ粒子は、KOH:水:DMSO(15:25:60重量%)の溶液中、60°Cで6時間攪拌し、次いで脱イオン水で2〜3回すすぎ、酸性化のために2M HNO3中、60°Cで3時間攪拌し、次いで洗浄水が中性になるまで脱イオン水で繰返し洗浄する。
別の例では、イオノマ前駆体は、約700g/mol未満の当量を有する(−SO2F形態の)パーフルオロスルホン酸樹脂である。(−SO2F形態の)低当量のパーフルオロスルホン酸樹脂が、部分的にフッ素化されたまたはパーフルオロ化された(一つまたは複数の)溶媒中に溶解されて、実施例1に記載の溶液を形成する。次いで触媒ナノ粒子材料が所望の量で溶液に添加されて、目標混合物を生成する。次いで低当量の(−SO2F形態の)パーフルオロスルホン酸樹脂が触媒材料を均一に被覆するように、(一つまたは複数の)溶媒が回転蒸発によって除去される。
一例では、ポリマ前駆体は、約280g/mol〜約1500g/molの当量、好ましくは約280g/mol〜約700g/molの当量を有する(−SO2F形態の)パーフルオロスルホン酸樹脂である。(−SO2F形態の)パーフルオロスルホン酸樹脂が気体NH3を用いることにより処理されて、(−SO2−NH2形態の)パーフルオロスルホンアミドポリマに変換される。パーフルオロスルホンアミドポリマは、これに限定しないが、アセトニトリル、1,4−ジオキサン、n−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、またはn,n−ジメチルホルムアミド(DMF)を含む極性溶媒に溶解されて、溶液を形成する。溶液温度を上昇させることは、このステップでは(一つまたは複数の)溶媒中のポリマの溶解度を向上させるのに概ね有用である。次いで触媒ナノ粒子が所望の量で溶液に添加されて、目標混合物を生成する。
その場重合法を利用する実施例では、重合が触媒ナノ粒子の存在下で行われるように、(上記のように)パーフルオロアルキルビニルエーテルのモノマが混合ステップ22において触媒ナノ粒子材料、テトラフルオロエチレン、および(一つまたは複数の)遊離基開始剤と混合される。実施例では、重合は、溶液重合またはエマルジョン重合である。溶液重合では、モノマが、(一つまたは複数の)パーフルオロ溶媒または部分的にフッ素化された溶媒に溶解され、次いで触媒ナノ粒子が添加される。エマルジョン重合では、触媒ナノ粒子表面の疎水性のため、触媒ナノ粒子が(一つまたは複数の)モノマとともに分散されて、水溶液中でミセルを形成する。両者の場合においてもラジカル重合が行われて、触媒ナノ粒子表面上に被覆されたナノ厚の(−SO2F形態の)イオノマ前駆体を直接生じさせる。
Claims (20)
- 触媒粒子とパーフルオロイオノマ前駆体とを混合し、
前記触媒粒子の存在下、前記パーフルオロイオノマ前駆体をパーフルオロプロトン伝導性イオノマに変換することを備え、
前記触媒粒子とパーフルオロイオノマ前駆体とを混合することが、前記パーフルオロイオノマ前駆体を少なくとも一つの溶媒中に溶解させることを含み、
前記混合後、前記触媒粒子を前記パーフルオロイオノマ前駆体で均一に被覆するように、前記少なくとも一つの溶媒を除去することを含み、
前記パーフルオロプロトン伝導性イオノマを形成させるように、前記触媒粒子に被覆された前記パーフルオロイオノマ前駆体を架橋結合させることを含むことを特徴とする、パーフルオロポリマイオノマ中の触媒粒子の分散方法。 - 前記パーフルオロイオノマ前駆体が、直鎖状のパーフルオロカーボン主鎖と、前記直鎖状のパーフルオロカーボン主鎖から延在するパーフルオロペンダント側鎖と、を有し、前記パーフルオロペンダント側鎖が、−SO2X基で終端しており、前記Xは、フッ素(F)、塩素(Cl)、アミン(NH2)およびこれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする請求項1に記載の分散方法。
- 前記パーフルオロイオノマ前駆体が、前記触媒粒子の5%〜100%(重量%)の乾燥重量を有することを特徴とする請求項1に記載の分散方法。
- 前記パーフルオロイオノマ前駆体が、前記触媒粒子の30%〜70%(重量%)の乾燥重量を有することを特徴とする請求項1に記載の分散方法。
- 前記触媒粒子とパーフルオロイオノマ前駆体とを混合することが、前記触媒粒子を分散させて、該触媒粒子を前記パーフルオロイオノマ前駆体で被覆することを含むことを特徴とする請求項1に記載の分散方法。
- 前記触媒粒子に被覆された前記パーフルオロイオノマ前駆体は、均一なナノ厚を有することを特徴とする請求項5に記載の分散方法。
- 前記パーフルオロプロトン伝導性イオノマが、前記触媒粒子を取り囲むことを特徴とする請求項1に記載の分散方法。
- 前記パーフルオロプロトン伝導性イオノマで被覆された前記触媒粒子を基体上に適用することを含むことを特徴とする請求項1に記載の分散方法。
- 前記架橋結合させることが、前記触媒粒子に被覆された前記パーフルオロイオノマ前駆体の2つのパーフルオロペンダント側鎖を共有結合させるように、少なくとも一つのスルホンイミド基−SO2−NH−SO2−を形成させることを特徴とする請求項1に記載の分散方法。
- 前記パーフルオロイオノマ前駆体で被覆された前記触媒粒子を基体上に適用し、次いで、前記パーフルオロプロトン伝導性イオノマを形成させるように前記パーフルオロイオノマ前駆体を処理することを含むことを特徴とする請求項1に記載の分散方法。
- 前記触媒粒子とパーフルオロイオノマ前駆体とを混合することが、前記パーフルオロイオノマ前駆体の少なくとも一つのモノマを提供し、前記少なくとも一つのモノマを前記触媒粒子と混合させることを含むことを特徴とする請求項1に記載の分散方法。
- 前記触媒粒子の存在下で前記パーフルオロイオノマ前駆体を生成させるように、前記少なくとも一つのモノマを重合させることを含むことを特徴とする請求項11に記載の分散方法。
- 前記パーフルオロプロトン伝導性イオノマを形成させるように前記触媒粒子上の前記パーフルオロイオノマ前駆体を処理することを含むことを特徴とする請求項12に記載の分散方法。
- 前記触媒粒子がナノ粒子を含み、該ナノ粒子が少なくとも一つの貴金属を含むことを特徴とする請求項1に記載の分散方法。
- 前記ナノ粒子が、多孔質炭素、金属酸化物、およびそれらの組合せからなる群から選択された担体上に担持されることを特徴とする請求項14に記載の分散方法。
- 前記パーフルオロプロトン伝導性イオノマが、280g/mol〜1500g/molの当量を有することを特徴とする請求項1に記載の分散方法。
- 前記パーフルオロプロトン伝導性イオノマが、280g/mol〜700g/molの当量を有することを特徴とする請求項1に記載の分散方法。
- (a)貴金属触媒粒子をパーフルオロイオノマ前駆体で被覆するように、前記貴金属触媒粒子と前記パーフルオロイオノマ前駆体とを混合するステップと、
(b)前記ステップ(a)からの前記パーフルオロイオノマ前駆体で被覆された前記貴金属触媒粒子を、高分子基体上に適用するステップと、
(c)前記ステップ(b)後、前記パーフルオロイオノマ前駆体をパーフルオロプロトン伝導性イオノマに変換させるステップと、
を備え、
前記ステップ(c)が、前記パーフルオロプロトン伝導性イオノマを形成させるように、前記貴金属触媒粒子に被覆された前記パーフルオロイオノマ前駆体を架橋結合させることを含む、パーフルオロポリマイオノマ中の触媒粒子の分散方法。 - 前記パーフルオロプロトン伝導性イオノマが、280g/mol〜1500g/molの当量を有することを特徴とする請求項18に記載の分散方法。
- 前記高分子基体が、パーフルオロスルホン酸であることを特徴とする請求項18に記載の分散方法。
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