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Proton conduction characteristics in radiation-grafted polymer electrolyte membranes based on perfluorinated and aromatic hydrocarbon polymers

全炭化フッ素及び全炭化水素系高分子を基材とする放射線グラフト電解質膜のプロトン伝導特性

澤田 真一; 前川 康成

Sawada, Shinichi; Maekawa, Yasunari

放射線グラフト電解質膜の高導電性,高耐久性の両立を図るためには、さまざまな構造の電解質膜のイオン導電性と膜構造の相関を理解することが重要である。そこで本研究では、全フッ素高分子の架橋ポリテトラフルオロエチレン(cPTFE)及び全炭化水素高分子のポリエーテルエーテルケトン(PEEK)とその構造が極端な2つの基材膜からなる電解質膜のプロトン伝導特性と膜構造を比較した。イオン交換容量(IEC)が小さくなるにつれて、cPTFE電解質膜はPEEK電解質膜よりもプロトン伝導度が急激に減少した。この結果を詳細に考察するため、ネルンスト-アインシュタインの式からプロトンの自己拡散係数D$$_{P}$$を算出した。PEEK電解質膜のD$$_{P}$$は広範囲のIECでほぼ一定値だったのに対し、cPTFE電解質膜のD$$_{P}$$はIECとともに著しく増大した。低IECにおいてD$$_{P}$$が小さかった理由として、プロトン伝導を担うグラフト鎖からなるイオンチャンネルネットワークがcPTFEの微結晶に阻害され、プロトン伝導パスの連結性が低下したためであると考察した。

In order to improve the performance of the radiation-grafted polymer electrolyte membranes (PEMs), it is important to characterize the PEMs prepared by various conditions. In this study, we investigated the proton conduction properties of grafted PEMs based on crosslinked poly(tetrafluoroethylene) (cPTFE) (perfluoropolymer) and poly(etheretherketone) (PEEK) (hydrocarbon polymer). For obtaining a deep insight, the self-diffusion coefficient of protons, D$$_{P}$$, was calculated. In the case of PEEK PEMs, the D$$_{P}$$ did not depend on the ion exchange capacity (IEC). On the other hand, for cPTFE PEMs, the D$$_{P}$$ prominently increased with the IEC. The small D$$_{P}$$ at low IEC can be related to the high crystallinity of the base cPTFE film. Due to PTFE crystallites, poly(styrene sulfonic acid) graft chains were not homogeneously introduced. As a result, the ion-channnel network structures should not be well-connected, thereby restricting the proton mobility.

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