名古屋大學研究生院工學研究科的松尾豐教授、川角昌彌特任教授等人的研究團隊，利用自主開發的水溶性富勒烯類衍生物，開發出了可顯著改善質子交換薄膜槽（PEMFC）核心部件——「聚合物電解質膜」耐久性的技術。該研究成果已發表在期刊《Communications Materials》上。
圖1 水溶性富勒烯類衍生物與OH自由基的清除（供圖：名古屋大學）
以氫氣為燃料進行發電的質子交換薄膜槽（PEMFC），作為一種不排放二氧化碳的清潔電源，在汽車、固定式電源等多個領域的應用備受期待。燃料電池的核心部件——聚合物電解質膜（PEM），要求具備優異的質子傳導性以及機械和化學穩定性，但是由長時間運轉產生的活性含氧物、尤其是羥基自由基和過氧自由基所引起的分解會持續加劇，出現膜變薄、形成針孔等劣化問題。富勒烯類具有強大的自由基清除能力，但其與水及電解質膜的相容性較差，會在膜中凝聚，此前在實用化方面存在尚待解決的課題。
研究團隊採用了合成可溶於水和酒精的新型富勒烯類衍生物，並將其均勻分散到Nafion膜中這一方法。通過在富勒烯類的球狀碳結構上在指定位置上引入酚基、羧酸基等官能基，在保持π共軛作用結構的同時，實現了比傳統羥基化富勒烯類（富勒烯類醇）更高的水溶性，並提高了與Nafion的親和性。由此，富勒烯類衍生物被穩定地保持在Nafion的離子簇中，能夠以在整個膜中均勻分散的狀態進行製膜。
這些富勒烯類衍生物具有牢固螯合鈰離子的性質，經確認，導入膜中的鈰（Ce）即使在清洗和運轉過程中也不會流出，且長時間維持了其自由基捕獲能力。實際上，在採用芬頓試驗進行的化學耐久性評估中，傳統的Nafion膜快速分解並釋放出大量氟離子，而含有富勒烯類衍生物與Ce的混成膜，其氟離子的釋放量降低了約90%。
在採用電解質膜電極太陽能電池模組（MEA）進行的燃料電池核能電廠運轉情況下的耐久性測試中，也觀察到了顯著的改善。在高溫、低濕度、高電壓的加速測試條件下，傳統Nafion膜約100小時便開始發生性能劣化，而新開發的PhCOOH-5-OH/Ce/Nafion混成膜即便超過1050小時，開路電壓（OCV）仍能穩定維持，實現了相較於傳統膜10倍以上的壽命延長。此外，排水中氟化物離子的排放速度與未添加富勒烯類衍生物的膜相比，降低至1/50。另外，生成的富勒烯類陽離子物種被氫分子及微小的漏電流還原後，再次捕獲自由基這一催化循環反復進行，表明該機制可使膜的穩定性長期維持。
所製備的混成膜在質子傳導性及機械特性方面，也表現出與傳統膜同等或更優越的性能。研究表明，富勒烯類衍生物中的羥基和羧酸基在提高保水性，促進質子傳導的同時，還會通過與Nafion分子鏈的相輔作用，提高膜的拉伸強度及彈性模數。具體而言，PhCOOH-5-OH/Nafion膜留下了拉伸強度25.5MPa、質子傳導率0.12S/cm的記錄，即便作為實用材料也具備充足的性能。
此次的研究成果實現了對曾經的PEMFC用電解質膜難題——「化學耐久性」的根本性改善，成為邁向未來燃料電池商用化及多用途應用以實現氫能社會的重要里程碑。採用水溶性富勒烯類衍生物的自由基控制技術，不僅有助於提升燃料電池的耐久性，推動其在要求更長耐久性的大型卡車、船舶、鐵路、工程機械等領域的多用途應用，而且其應用不僅限於燃料電池材料，在膜分離、觸媒、醫療材料等廣泛領域的應用也備受期待。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Communications Materials
論文：Water-soluble fullerene derivatives as radical scavengers
for highly durable proton exchange membrane fuel cells
DOI：10.1038/s43246-025-00845-9
