Location and size of nanoscale free-volume holes in crosslinked-polytetrafluoroethylene-based graft-type polymer electrolyte membranes determined by positron annihilation lifetime spectroscopy

陽電子消滅寿命測定法による架橋ポリテトラフルオロエチレン電解質膜の自由空孔構造の評価

澤田 真一; 薮内 敦*; 前川 雅樹; 河裾 厚男; 前川 康成

Sawada, Shinichi; Yabuuchi, Atsushi*; Maekawa, Masaki; Kawasuso, Atsuo; Maekawa, Yasunari

固体高分子型燃料電池用の電解質膜はナノメートルスケールの自由空孔を有しており、この空孔構造が膜の燃料ガス透過性に影響を及ぼすと考えられる。そこで本研究では、陽電子消滅寿命(PAL)測定法により、架橋ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を基材とするグラフト電解質膜の自由空孔構造を調べた。その結果、電解質膜内には0.11と0.38nmという異なる体積の自由空孔が存在することがわかった。架橋PTFE膜及びスチレングラフト膜のPAL測定結果と比較することで、小さな空孔はPTFE結晶及びグラフト鎖領域に位置し、大きな空孔はPTFEの非晶領域に位置することから、ガス透過性の抑制には非晶領域の空隙率低下が重要であるとの知見を得た。

The location and size of nanoscale free-volume holes (nanoholes) in graft-type polymer electrolyte membranes (PEMs), which were prepared by radiation-induced graft polymerization (grafting) of styrene into crosslinked-polytetrafluoroethylene (cPTFE) films and subsequent sulfonation, was investigated using positron annihilation lifetime (PAL) spectroscopy. The PAL spectra of the PEMs indicated the existence of two types of ortho-positronium (o-Ps) species, corresponding to nanoholes with volumes of 0.11 and 0.38 nm, respectively. Comparison of the PAL data of the PEMs with that of the precursor original cPTFE and polystyrene-grafted films demonstrated the probability that the smaller holes were located in both the PTFE crystalline phases and the poly(styrene sulfonic acid) graft regions, whereas the larger holes are potentially localized in the PTFE amorphous phases.