電場・磁場支援鋳造によるパーフルオロエンスルホン酸アイオノマーのイオンドメインのラメラ秩序化の小角X線散乱法による研究

SAXS signature of the lamellar ordering of ionic domains of perfluorinated sulfonic-acid ionomers by electric and magnetic field-assisted casting.

• Jaqueline S da Silva
• Sabrina G M Carvalho
• Rodrigo P da Silva
• Ana C Tavares
• Ulrich Schade
• Ljiljana Puskar
• Fabio C Fonseca
• Bruno R Matos

抄録

現在のところ、小角X線散乱(SAXS)法によるパーフロリンスルホン酸アイオノマー(PFSA)の研究では、その構成要素の真の形状を完全に決定することはできません。このシナリオでは、PFSAのビルディングブロックの真の形状を解明するために、エビデンスに基づいた知見が必要である。ここでは、ナフィオンのラメラナノ相分離のための小角散乱パターンを、異なるイオン形態,広い範囲のイオン相含有量(EW∼ 859-42252 g eq-1)と温度でのナフィオンの中・遠赤外分光(MIRとFIR)と広角X線散乱(WAXS)データに基づいて提示した。この研究は、イオンドメインのラメラ配列が、このアイオノマーの物理的特性を説明する最も代表的な形態であることを示している。ナフィオンのラメラ小角散乱反射は、原子間力顕微鏡(AFM)によって確認されたように、電場および磁場配向膜において増強されている。ナフィオンの電場・磁場アシストキャストにより、ラメラが電場ベクトルに垂直に積層されたナノ構造の異方性膜を作製することができ、これはいくつかの用途で注目されている。このようなナノ構造ナフィオン膜は、高度な光学特性やプロトン輸送特性を有しており、太陽電池や燃料電池の材料として有望視されています。

At present, small angle X-ray scattering (SAXS) studies of perfluorinated sulfonic-acid ionomers (PFSAs) are unable to fully determine the true shape of their building blocks, as recent SAXS modelling predicts disk- and rod-like nanoionic domains as being equally possible. This scenario requires evidence-based findings to unravel the real shape of PFSA building blocks. Herein, a SAXS pattern signature for a lamellar nanophase separation of the ionic domains of Nafion is presented, backed by mid and far infrared spectroscopy (MIR and FIR) and wide angle X-ray scattering (WAXS) data of Nafion in different ionic forms, a broad range of ionic phase contents (EW ∼ 859-42 252 g eq-1) and temperatures. The study indicates that the lamellar arrangement of the ionic domains is the most representative morphology that accounts for the physical properties of this ionomer. The lamellar SAXS reflections of Nafion are enhanced in electric and magnetic field-aligned membranes, as confirmed by atomic force microscopy (AFM). Electric and magnetic field-assisted casting of Nafion allowed producing nanostructured and anisotropic films with the lamellas stacked perpendicularly to the field vector, which is the direction of interest for several applications. Such nanostructured Nafion membranes are bestowed with advanced optical and proton transport properties, making them promising materials for solar and fuel cells.