新規スルホン化ポリ（ビニルアルコール）/カルボキシメチルセルロース/アクリルアミド

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22017 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

カルボキシメチルセルロース(CMC)-ポリビニルアルコール(PVA)-アクリルアミド(AA)をブレンドすることにより、新規な高分子電解質ハイブリッド膜が調製されます。 コハク酸とクロロスルホン酸 (CSA) は、それぞれ架橋剤と改質剤として使用されます。 さらに、フィラーとしてカルボキシル化カーボン ナノチューブ (CCNT) とスルホン化活性炭 (SAC) が使用され、高分子電解質膜 (PEM) として使用するための適切な化学的および機械的安定性が得られます。 CMC、PVA、AA を混合し、さまざまな濃度の CSA、CCNT、SAC で処理します。 まず、CMC/PVA/AA 溶液を CSA を使用して改質し、スルホン化ポリマーマトリックスを生成します。 次に、イオン交換容量 (IEC)、イオン伝導率、および化学的安定性を高めるために、異なる量の CCNT または SAC をフィラーとして追加しました。 第三に、溶液を高分子電解質膜としてキャストします。 CMC、PVA、AA、およびその他の膜成分間の化学相互作用は、ラマン散乱分光法やフーリエ変換赤外 (FTIR) などのさまざまな特性評価手法を使用して確認されました。 さらに、機械的強度、メタノールの取り込み、ゲル分率、イオン交換容量 (IEC)、プロトン伝導率 (PC)、化学的および熱的安定性が、さまざまな膜修飾成分の関数として決定されました。 結果は、CSA、CCNT、および SAC の増加により IEC 値が増加し、(CMC/PVA-4% CSA) では 1.54 mmol/g、(CMC/PVA-4%CSA-2%) では 1.74 mmol/g に達していることを示しています。 CCNT）および（CMC/PVA-4% CSA-2% SAC）では 2.31 mmol/g と比較して、非修飾 CMC/PVA/AA 膜では 0.11 mmol/g でした。 続いて、プロトン伝導率の値は、非修飾 CMC/PVA/AA 膜の 1 × 10-3 S/cm から、(CMC/PVA-4% CSA) の場合は 0.082 S/cm、(CMC) の場合は 0.0984 S/cm に変化します。 /PVA-4%CSA-2%CCNT）および（CMC/PVA-4%CSA-2%SAC）の場合は0.1050 S/cm。 このような結果は、高分子電解質膜としての修飾ＣＭＣ／ＰＶＡ／ＡＡハイブリッドの潜在的な実現可能性を高める。

現在、直接メタノール燃料電池 (DMFC) は、他の種類の燃料電池 (FC) の中でも現在の電源に対する独創的な代替手段となっています。 DMFC は、動作温度が低く、出力密度が高く、エネルギー変換効率が高く、燃料が安価になるため、ここ数年で非常に重要になっています1。 むしろ、DMFC は、カーボン ニュートラルな運用への転換に貢献する重要なツールの 1 つであると考えられています2。

電解質膜は電池の動作の中心であり、陽極部分から陰極にプロトン (H+) を伝導する役割を果たします。 高分子電解質膜の重要な特性には、プロトン (H+) の良好な伝導体、電気絶縁体、メタノール クロスオーバーが非常に低く化学的に安定していること、およびセル動作条件中の耐久性などがあります3。

ただし、DMFC の主な制限は、電解質膜を通過するメタノールのドロップアウトと、最適な水管理による高反応性ポリマー電解質の生成です。 さらに、汚れは、プロトン結合部位をブロックすることによって高分子膜の効率を低下させることにより、高分子膜に影響を与える可能性がある問題の 1 つです4。 特に、燃料の不純物やその他の生物学的および化学的相互作用によって発生した汚れ5。 汚れた高分子膜は回収処理するか交換する必要があり、これによりコスト効率が向上します。 Rana et al.6 は、高分子膜に銀塩を添加すると防汚効果が向上することを発見しました。

現在、Nafion® は高分子電解質膜燃料電池 (PEMFC) の電解質として広く使用されていますが、メタノールクロスオーバーと水管理の問題により制限されています 7,8。

高分子電解質膜は、所望の特性を強化し、イオン伝導性を向上させるための改質プロセス後に、さまざまな種類のポリマーを使用して製造できます。 修飾は、混合および/または化学処理によって行うことができます9。 HAP10、CNT11、GO12 などの無機材料を高分子電解質膜に導入すると、燃料クロスオーバーを防ぐ重要な特性であるバリア効果が強化されることに加えて、プロトン伝導性と機械的安定性が向上します。