日本北陆先端科学技术大学院大学物质化学前沿研究领域的阿部雄介硕士研究生（研究当时）、青木健太郎助教、Athchaya Suwansoontorn研究员、长尾祐树教授等人，与加拿大卡尔加里大学及东京理科大学创域理工学部的四反田功副教授等人组成的联合研究团队，合作开发出了能够按电池的电极界面对高分子电解质薄膜电极中的离子（质子）输送进行分离与定量测量的新方法。该成果为提升电池材料性能提供了新的指南。相关研究成果已发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
图1 研究示意图与成果概要。左图为质子沿电极界面在Nafion薄膜内移动的状态。SiO₂基板界面（σ₁）与碳或铂电极界面（σ₂）存在不同的输送路径。以往技术无法准确获得σ₂；右图显示，即使改变电极垫长度（Long/Short），各界面所对应的电导率（σ₁,σ₂）也基本一致。这表明测得的电导率为界面固有值，与电极结构无关，同时实现了σ₂的高精度定量。（Image Credit: Yuki Nagao from JAIST）
研究团队通过精准控制电极结构（梳齿状叉指电极）的形状，并结合扩展至低频区间的阻抗测量，开发出了将以往叠加在一起观测的质子运输组分进行分离与定量分析的新方法。由此，首次成功实现了对各电极界面质子流动的单独评估。
结果证实，测量信号中包含的多个电阻组分分别来源于不同的界面，揭示了高频区间的电阻组分对应氧化物（SiO₂）界面的质子传导，低频区间的电阻组分对应铂及碳界面的质子传导。研究还发现，质子在氧化物界面与金属、碳界面的传导效率存在最大约2倍的差异。
此外，即便改变电极垫长度仍能获得相同的电导率，该结果证实，这些电阻组分并非源于电极结构，而是源于“界面本身”的性质。由此，以往只能整体评估的质子电导率，如今可按不同界面拆分并完成定量检测。
由此，可精准定位哪个界面是离子输送的瓶颈，电极材料的选型与界面结构的优化的设计能够比以往更有科学根据。特别是在燃料电池与水电解装置的研发中，提升能量转换效率、降低成本是核心课题，本次开发的方法作为提供设计思路的基础技术，有望直接助力材料研发与器件的设计。此外，该技术不仅适用于燃料电池，还可应用于水电解装置、二次电池、传感器等各类依赖电极界面离子输送的电化学器件，并有望为提升其性能做出贡献。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：ACS Applied Materials & Interfaces
论文：Decoupling Interfacial Proton Conductivity in Ionomer Thin Films on Pt and Carbon Electrodes
DOI：10.1021/acsami.6c04425
