日本北陸先端科學技術大學院大學物質化學前緣研究領域的阿部雄介碩士研究生（研究當時）、青木健太郎助教、Athchaya Suwansoontorn研究員、長尾祐樹教授等人，與加拿大卡爾加里大學及東京理科大學創域理工學部的四反田功副教授等人組成的聯合研究團隊，合作開發出了能夠按電池的電極界面對聚合物電解質薄膜電極中的離子（質子）輸送進行分離與定量測量的新方法。該成果為提升電池材料性能提供了新的指南。相關研究成果已發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
圖1 研究示意圖與成果概要。左圖為質子沿電極界面在Nafion薄膜內移動的狀態。SiO₂基板界面（σ₁）與碳或鉑電極界面（σ₂）存在不同的輸送路徑。以往技術無法準確獲得σ₂；右圖顯示，即使改變電極墊長度（Long/Short），各界面所對應的電導率（σ₁,σ₂）也基本一致。這表明測得的電導率為界面固有值，與電極結構無關，同時實現了σ₂的高精度定量。（Image Credit: Yuki Nagao from JAIST）
研究團隊通過精準控制電極結構（梳齒狀叉指電極）的形狀，並結合擴展至低頻區間的電阻抗測量，開發出了將以往疊加在一起觀測的質子運輸成分進行分離與定量分析的新方法。由此，首次成功實現了對各電極界面質子流動的單獨評估。
結果證實，測量信號中包含的多個電阻成分分別來源於不同的界面，揭示了高頻區間的電阻成分對應氧化物（SiO₂）界面的質子傳導，低頻區間的電阻成分對應鉑及碳界面的質子傳導。研究還發現，質子在氧化物界面與金屬、碳界面的傳導效率存在最大約2倍的差異。
此外，即便改變電極墊長度仍能獲得相同的電導率，該結果證實，這些電阻成分並非源於電極結構，而是源於「界面本身」的性質。由此，以往只能整體評估的質子電導率，如今可按不同界面拆分並完成定量檢測。
由此，可精準定位哪個界面是離子輸送的瓶頸，電極材料的選型與界面結構的優化的設計能夠比以往更有科學根據。特別是在燃料電池與水電解裝置的研發中，提升能量轉換效率、降低成本是核心課題，本次開發的方法作為提供設計思路的基礎技術，有望直接助力材料研發與器件的設計。此外，該技術不僅適用於燃料電池，還可應用於水電解裝置、二次電池、感測器等各類依賴電極界面離子輸送的電化學器件，並有望為提升其性能做出貢獻。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：ACS Applied Materials & Interfaces
論文：Decoupling Interfacial Proton Conductivity in Ionomer Thin Films on Pt and Carbon Electrodes
DOI：10.1021/acsami.6c04425
