散逸粒子動力学シミュレーションによる放射線グラフト電解質膜の構造解析

Structural analysis of radiation-grafted polymer electrolyte membranes by dissipative particle dynamics simulation

澤田 真一; 八巻 徹也; 小沢 拓*; 鈴木 晶大*; 寺井 隆幸*; 前川 康成

Sawada, Shinichi; Yamaki, Tetsuya; Ozawa, Taku*; Suzuki, Akihiro*; Terai, Takayuki*; Maekawa, Yasunari

燃料電池電解質膜の高度化を図るため、膜内構造に関する基礎的知見を得ることは極めて重要である。そこで本研究では、散逸粒子動力学シミュレーション(DPD)法を用いて、架橋ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を基材とする電解質膜の構造を予測した。はじめに分子構造に基づき、-(CF)-, -CH(CH(CHSOH))-を、それぞれ粒子A, Bと見なし、これら粒子を用いてモデル分子を構築した。モデル分子と適当量の水粒子W(7HOに相当)を含む系を作成し、DPD法によって系の時間発展を計算した。平衡状態において、スチレンスルホン酸グラフト鎖(粒子B)と水(粒子W)は混合し、PTFE領域(粒子A)から相分離することがわかった。グラフト鎖-水の混合相の構造を詳細に調べるため、粒子W-W間の動径分布関数を求めた。その結果、直径1.8nmという非常に小さい水クラスターが存在することが明らかとなった(Nafion膜における水クラスターは直径45nm程度)。このように特異的な水クラスター構造が、架橋PTFE電解質膜の高プロトン伝導性や水透過抑制能の起源であると考えられる。

We investigated for the first time the mesoscopic structure of crosslinked-polytetrafluoroethylene (cPTFE) based radiation-grafted polymer electrolyte membranes (PEMs) by using dissipative particle dynamics (DPD) simulation. Based on the molecular structures, the fully-hydrated PEM systems were constructed with the coarse-grained particles representing several atom groups. In the equilibrium state, water appeared to percolate into poly(styrene sulfonic acid) (PSSA) graft chains to give a mixed phase, separated from the hydrophobic PTFE chains. This phase-separation picture is quite different from that of Nafion, in which only water particles were gathered excluding any polymer parts (a so-called water cluster). In order to obtain a deep insight into the phase-separation structure, the radial distribution function between water particles was calculated. As a result, there were found to be small water clusters with a diameter of only 1.8 nm in the water/grafts mixture regions.