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公開番号2024042662
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-28
出願番号2023142684
出願日2023-09-04
発明の名称カチオン性荷電官能基を有するイミダゾリウムを含有する構造化有機フィルム及びその方法
出願人ゼロックスコーポレイション,XEROX CORPORATION
代理人個人,個人,個人,個人,個人,個人
主分類C08J 5/22 20060101AFI20240321BHJP(有機高分子化合物;その製造または化学的加工;それに基づく組成物)
要約【課題】燃料セル、レドックスフロー電池、電解槽、逆電気透析セル、及び微生物燃料セルなどの様用途で使用できるイミダゾリウムを含む強固で高度に秩序化されたパターン化網状組織系から合成されたイオン交換膜用の自立型構造化有機フィルムを提供する。
【解決手段】構造化有機フィルム(SOF)は、複数のセグメントと、複数のリンカーと、複数のイオン性キャッピングセグメントであって、少なくとも1つ以上のイオン性キャッピングセグメントが、イミダゾリウムを含んでもよい、複数のイオン性キャッピングセグメントと、を含む。SOFは、SOF中のイオン性キャッピングセグメントの濃度がSOF中の非イオン性セグメントの濃度に対して約0.1～約5.0モル当量のイオン性キャッピングセグメントである場合を含む。SOFの厚さは、約100nm～約500μmである。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
構造化有機フィルム（ＳＯＦ）であって、
複数のセグメントと、
複数のリンカーと、
複数のキャッピングセグメントであって、少なくとも１つ以上のキャッピングセグメントが、イミダゾリウムを含む、複数のキャッピングセグメントと、を含む、構造化有機フィルム（ＳＯＦ）。
続きを表示（約 830 文字）【請求項２】
前記複数のセグメントのうちの少なくとも１つが、以下を含む、請求項１に記載の構造化有機フィルム（ＳＯＦ）。
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2024042662000012.jpg
54
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【請求項３】
前記ＳＯＦ中のキャッピングセグメントの濃度が、前記ＳＯＦ中の非イオン性セグメントの濃度に対して、約０．１～約５．０モル当量のキャッピングセグメントである、請求項１に記載の構造化有機フィルム（ＳＯＦ）。
【請求項４】
前記ＳＯＦの厚さが、約１００ｎｍ～約５００μｍである、請求項１に記載の構造化有機フィルム（ＳＯＦ）。
【請求項５】
前記複数のキャッピングセグメントのうちの少なくとも１つが、Ｎ－ヒドロキシエチル－１，２，４，５－テトラメチルイミダゾリウム（ＮＥＴＭＩｍＢｒ）を含む、請求項１に記載の構造化有機フィルム（ＳＯＦ）。
【請求項６】
前記複数のキャッピングセグメントのうちの少なくとも１つが、Ｎ－ヒドロキシプロピル－１，２，４，５－テトラメチルイミダゾリウム（ＮＰＴＭＩｍＢｒ）を含む、請求項１に記載の構造化有機フィルム（ＳＯＦ）。
【請求項７】
前記複数のキャッピングセグメントのうちの少なくとも１つが、１つ以上のヒドロキシド官能基を含む、請求項１に記載の構造化有機フィルム（ＳＯＦ）。
【請求項８】
前記構造化有機フィルム（ＳＯＦ）が、約０．２５ｍＥｑ／ｇ～約５．００ｍＥｑ／ｇのイオン交換容量（ＩＥＣ）を有する、請求項１に記載の構造化有機フィルム（ＳＯＦ）。
【請求項９】
請求項１に記載の構造化有機フィルム（ＳＯＦ）を含む、イオン交換膜。
【請求項１０】
前記構造化有機フィルム（ＳＯＦ）が、自立型である、請求項９に記載のイオン交換膜。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本教示は、概して、自立型構造化有機フィルムに関し、より具体的には、自立型構造化有機フィルムから形成されるイミダゾリウム化合物を含有するアニオン性交換膜のための組成物に関する。
続きを表示（約 3,200 文字）【背景技術】
【０００２】
イオン交換膜（ion-exchange membrane、ＩＥＭ）は、燃料セル、レドックスフロー電池、電解槽、逆電気透析セル、及び微生物燃料セルなどの生物電気化学システム（bioelectrochemical system、ＢＥＳ）などの多くの電気化学デバイスにおいて使用することができる。ＩＥＭは、固定化されたイオン官能基及びモバイル対イオンを有する疎水性基材から構成され得る。輸送されるイオン基のタイプに応じて、ＩＥＭは、アニオン交換膜（anion exchange membrane、ＡＥＭ）又はカチオン交換膜（cation exchange membrane、ＣＥＭ）であり得る。ＣＥＭは、透過性膜を横切ってカチオン（正に荷電したイオン）を選択的に輸送する。ＣＥＭは、Ｎａ
＋
カチオンを含有するものなどの非酸性、又はＨ
＋
カチオンを特異的に輸送するプロトン交換膜（proton-exchange membrane、ＰＥＭ）の場合には酸性であることができる。ＡＥＭは、アニオンを選択的に輸送し、非アルカリ性アニオン形態（例えば、Ｃｌ
－
アニオンを含有する）及びＡＡＥＭと称されるアルカリ性アニオン（例えば、ＯＨ
－
、ＣＯ
３
２－
、及びＨＣＯ
３
－
）で利用可能である。
【０００３】
イミダゾリウム化合物は、有利なイオン交換能力を有するイオン性液体として使用することができる。イミダゾリウムイオン性液体で官能化されたポリマーは、アニオン交換膜において使用されてきた。これらの材料は、イミダゾリウム環に固有の共鳴により、高いイオン伝導性及び好適なアルカリ安定性を呈することができる。これにより、これらの材料はヒドロキシドによる攻撃を受けにくくなる。この安定性は、電気化学セルの一部分として材料が絶えずアルカリ性条件に供される場合に、それが燃料セルであるかＣＯ
２
還元であるかにかかわらず、必須である。市販のＩＥＭ材料の例としては、ペンダントイミダゾリウムクロリド官能基を有するポリスチレン骨格で作製された材料が挙げられる。２００～６００ｍＡ／ｃｍ
２
の電流密度及び９９％までのＣＯ
２
からＣＯへの効率を有するＣＯ
２
変換セルが見られた。加えて、電気化学セルにおけるＡＥＭとしての多くの他の用途とともに、ホルメート、エタノールに対する高い電流密度及び記録された水加水分解効率が報告されている。
【０００４】
イオン交換膜において使用されるこのような材料は、典型的には、ポリマー及び架橋ポリマーであるが、ほとんどの既知のポリマー化学合成プロセスは、ほとんどがランダムにパターン化されているので、形成された材料の分子レベル構造に対する正確な制御を提供しない。ほとんどのポリマーは、効率的に充填されて結晶特性を有する高密度をもたらすことができるいくつかのクラスの線状ポリマーを覗いて、非晶質又は部分的に非晶質である。
【０００５】
したがって、燃料セル、レドックスフロー電池、電解槽、逆電気透析セル、及び微生物燃料セルなどの様々な用途で使用することができるイミダゾリウムを含む強固で高度に秩序化されたパターン化網状組織系から合成されたイオン交換膜を製造することが望ましい。
【発明の概要】
【０００６】
以下は、本教示の１つ以上の実施形態のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために、簡略化された概要を提示する。この概要は、広範な概略ではなく、本教示の主要又は重要な要素を特定することも、本開示の範囲を明示することも意図していない。むしろ、その主な目的は、単に、後に提示される詳細な説明の前置きとして、１つ以上の概念を簡略化された形式で提示することにすぎない。
【０００７】
構造化有機フィルム（structured organic film、ＳＯＦ）が開示される。構造化有機フィルムはまた、複数のセグメントと、複数のリンカーと、複数のイオン性キャッピングセグメントであって、少なくとも１つ以上のイオン性キャッピングセグメントが、イミダゾリウムを含む、複数のイオン性キャッピングセグメントと、を含む。構造化有機フィルム（ＳＯＦ）の実装形態は、本ＳＯＦ中のイオン性キャッピングセグメントの濃度が本ＳＯＦ中の非イオン性セグメントの濃度に対して約０．１～約５．０モル当量のイオン性キャッピングセグメントである場合を含む。ＳＯＦの厚さは、約１００ｎｍ～約５００μｍである。複数のイオン性キャッピングセグメントのうちの少なくとも１つは、ｎ－ヒドロキシエチル－１，２，４，５－テトラメチルイミダゾリウム（n-hydroxyethyl-1,2,4,5-tetramethylimidazolium、ＮＥＴＭＩｍＢｒ）を含んでもよい。複数のイオン性キャッピングセグメントのうちの少なくとも１つは、ｎ－ヒドロキシプロピル－１，２，４，５－テトラメチルイミダゾリウム（n-hydroxypropyl-1,2,4,5-tetramethylimidazolium、ＮＰＴＭＩｍＢｒ）を含んでもよい。複数のイオン性キャッピングセグメントのうちの少なくとも１つは、１つ以上のヒドロキシド官能基を含んでもよい。構造化有機フィルム（ＳＯＦ）は、約０．２５ｍｅｑ／ｇ～約５．００ｍｅｑ／ｇのイオン交換容量（ion exchange capacity、ＩＥＣ）を有する。イオン交換膜は、構造化有機フィルム（ＳＯＦ）を含んでもよい。構造化有機フィルム（ＳＯＦ）は、自立型である。
【０００８】
別の構造化有機フィルム（ＳＯＦ）が開示される。構造化有機フィルムはまた、複数のセグメントと、複数のリンカーと、を含み、少なくとも１つ以上のイオン性キャッピングセグメントは、ｎ－ヒドロキシルエチル－１，２，４，５－テトラメチルイミダゾリウム（ＮＥＴＭＩｍＢｒ）を含み得る少なくとも１つのカチオン種を含み得る。構造化有機フィルム（ＳＯＦ）の実装形態は、本ＳＯＦ中のイオン性キャッピングセグメントの濃度が本ＳＯＦ中の非イオン性セグメントの濃度に対して約０．１～約５．０モル当量のイオン性キャッピングセグメントである場合を含む。ＳＯＦの厚さは、約１００ｎｍ～約５００μｍである。構造化有機フィルム（ＳＯＦ）は、約０．２５ｍｅｑ／ｇ～約５．００ｍｅｑ／ｇのイオン交換容量（ＩＥＣ）を有する。
【０００９】
別の構造化有機フィルム（ＳＯＦ）が開示される。構造化有機フィルムはまた、複数のセグメントと、複数のリンカーと、を含み、フィルムはまた、ｎ－ヒドロキシプロピル－１，２，４，５－テトラメチルイミダゾリウム（ＮＰＴＭＩｍＢｒ）を含み得る少なくとも１つのカチオン種を含み得る少なくとも１つ以上のイオン性キャッピングセグメントを含む。構造化有機フィルム（ＳＯＦ）の実装形態は、本ＳＯＦ中のイオン性キャッピングセグメントの濃度が本ＳＯＦ中の非イオン性セグメントの濃度に対して約０．１～約５．０モル当量のイオン性キャッピングセグメントである場合を含む。ＳＯＦの厚さは、約１００ｎｍ～約５００μｍである。構造化有機フィルム（ＳＯＦ）は、約０．２５ｍｅｑ／ｇ～約５．００ｍｅｑ／ｇのイオン交換容量（ＩＥＣ）を有する。
【００１０】
説明された特徴、機能、及び利点は、様々な実装形態において独立して達成され得るか、又は更に他の実装形態において組み合わされ得、その更なる詳細は、以下の説明を参照して理解され得る。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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