中性子小角散乱法による架橋ポリテトラフルオロエチレン電解質膜の構造解析; ナノマイクロメートルスケールの階層構造

Structural analysis of crosslinked-polytetrafluoroethylene-based electrolyte membranes by small-angle neutron scattering technique; Hierarchical structures ranging from nanometers to micrometers

八巻 徹也; 元川 竜平   ; 岩瀬 裕希; 澤田 真一; 浅野 雅春; 小泉 智; 前川 康成

Yamaki, Tetsuya; Motokawa, Ryuhei; Iwase, Hiroki; Sawada, Shinichi; Asano, Masaharu; Koizumi, Satoshi; Maekawa, Yasunari

線・電子線架橋,グラフト重合プロセスにより得られる電解質膜のさらなる高性能化を図るうえで、膜中のスルホン酸基と水が集合してできるプロトン伝導経路(イオンクラスター)や、海島構造を形成するPTFE基材の結晶・非晶相など、広いスケールに渡る高次構造、すなわち階層構造を調べることは極めて重要である。今回、このような構造-機能相関に関する基礎研究の一環として、JRR-3において中性子小角散乱法で架橋ポリテトラフルオロエチレンからなるグラフト電解質膜の構造解析を行ったので報告する。架橋PTFE電解質膜では、ナフィオンのイオンクラスター構造に由来するいわゆるアイオノマーピークが観測されなかったことから、プロトン伝導経路はナフィオンと同じスケールで存在しないことがわかった。架橋PTFE電解質膜に特徴的なプロファイルとして、ポリスチレンスルホン酸グラフト鎖からなるドメインの空間分布を反映した、ショルダー状の強い散乱が観測された。この散乱に対応する相関長45nmは、PTFE結晶粒の間の距離と同程度であったことから、放射線架橋により決まる結晶粒の分布が電解質膜の構造特性に影響を与えている可能性が示唆される。

Novel electrolyte membranes for PEFC applications were developed by the radiation-induced grafting of styrene into crosslinked polytetrafluoroethylene (PTFE) films and subsequent sulfonation. We performed here small-angle neutron scattering (SANS) analysis to investigate their structure and proton conductive properties. The crosslinked-PTFE electrolyte membranes exhibited a SANS pattern being entirely different from Nafion's: an intense small-angle upturn in intensity and no well-defined peak. This demonstrates that they will possess the structural properties which cannot be rationalized by the so far presented models.