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近日，日本科技科學振興機構（JST）一項最新研究成果。他們成功地合成了“三維水性片”，其中水分子在膜中無限連接，實現聚合物膜的高速質子傳導。此外，他們通過聚合和固定陀螺儀結構，成功地合成了聚合物膜，并顯示了實際應用的可能性。預計可實如燃料電池電解質膜所需的節能、低環境影響和低成本等要求。

東京農業大學生物功能科學系副教授Naohiro Ichikawa和謝菲爾德大學曾獻兵（音譯，Xian－bing Zeng）博士所在的小組通過“分子設計”，成功地合成了具有Gyroid結構的聚合物薄膜，其能夠在三維空間中實現無限引導。通過將膜浸泡水，沿著Gyroid界面結構吸收水分子，并且產生厚度小于1nm并且在三維上無限擴展的水分子片（三維水性片）。此外，在這個水性片中，氫離子（質子）通過“牛頓擺”（Newton’s cradle）運輸，實現極快的質子傳導率（10－1 Scm－1 ）。

質子導電聚合物膜是包括燃料電池在內的各種裝置中的重要組分。為了在聚合物膜中實現高速質子傳導，在膜中形成水分子的“氫鍵網絡”是關鍵。這是因為水分子網絡的存在使得質子得以運輸。這種傳動機制可以與“牛頓擺”進行比較（圖1）。換句話說，對于優異的質子傳導膜的開發而言，重要的是水分子在膜的前部到后部不間斷地排列。

圖1  以牛頓搖籃形式的質子傳輸圖像

迄今為止，具有磺酸基團的氟聚合物如Nafion已被廣泛用作質子傳導聚合物膜。聚合物鏈隨機排列在Nafion膜中，結果磺酸基團也隨機排列。當水被引入到該膜中時，水分子開始在磺酸基團周圍排列，為了將無序排列的磺酸基團與水分子橋接，必須引入許多水分子。如果膜中的磺酸基團可以以相等的間隔，并且從膜的前部到后部連續排列，則能夠確保水分子連續性，水分子不易蒸發并且與磺酸基團強烈連接。作為高度控制聚合物膜中磺酸基團排列的方法，通過在聚合物膜中產生具有三維連續周期性的螺旋結構，水分子不間斷地排列。研究者專注于產生“三維牛頓搖籃”的方法（圖2）。

圖2  牛頓搖籃的例子

螺旋結構是20世紀60年代發現的單元結構，在設計重量輕、強度高的材料時引起了人們的注意。近年來，使用3D打印機也可以容易地制造網格長度為幾厘米的陀螺結構，但是“設計網格長度為幾納米的陀螺結構的技術它的應用仍在發展中。

到目前為止，研究小組已開發出許多兩親分子，這些分子自發形成螺旋結構。在這項研究中，我們將各種結構結合在一起，例如將可聚合官能團引入這些兩親分子中，并挑戰了陀螺結構的聚合和穩定。

在分子設計、實際合成和純化方面存在很多困難，但研究組的成員Tsubaki Kobayashi博士還是成功開發了下列結構（圖3）。通過使用所開發的兩親分子產生螺旋結構，并且通過光照射分子時聚合產生同時保持螺旋結構，并且可以生產自支撐聚合物膜。

圖3  設計和合成的兩親分子的結構和納米結構聚合物膜的制備

該聚合物薄膜的結構分析表明，它具有沿著Gyroid界面結構排列親水性磺酸基團的結構（圖4中心的紫色）。此外，當對其中水浸漬到聚合物膜中的含水膜進行同步加速器X射線散射測量時，發現在紫色層中開始形成厚度為1nm或更小的藍色層（圖4右）。這被認為是因為結合到膜中的水分子自發地聚集并與陀螺儀界面處的磺酸基團對齊，是無限連續的。可以認為形成“三維水性片”。

圖4  聚合物薄膜中納米結構的分析

檢測聚合物膜中的質子傳導性，發現聚合物顯示出與現有質子傳導聚合物膜相當（或更好）的導電率（10－1Scm－1 ）。通過三維水性片材，出現了像“牛頓搖籃”這樣的質子傳導機制，并且認為質子的高速傳輸正在發生。

預期該研究結果獲得的聚合物膜可以用作燃料電池的電解質膜。此外，鑒于對聚合物電解質膜在廣泛領域中的需求不斷增長，可以預期其作為聚合物膜將在未來的廣泛研究中進行創新。他們進行了詳細的納米結構分析。研究結果發表在皇家化學學會“化學科學”的在線版本中。該研究是JST戰略創造研究推進項目PRESTO中的一個項目。

未來，研究者們計劃將本研究中開發的膜實際應用于燃料電池，并評估其應用于燃料電池時的性能。與現有的質子傳導聚合物膜相比，該膜具有非常精確的納米結構，這可以極大地改善與電極上的催化劑界面處的質子交換。

文/錢海