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特表2024-502223ホウ素含有多孔質膜及びその使用方法

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-18

(54)【発明の名称】ホウ素含有多孔質膜及びその使用方法

(51)【国際特許分類】

C08J 5/22 20060101AFI20240111BHJP

C25B 13/04 20210101ALI20240111BHJP

C25B 13/05 20210101ALI20240111BHJP

C25B 9/00 20210101ALI20240111BHJP

C25B 1/04 20210101ALI20240111BHJP

H01M 8/1004 20160101ALI20240111BHJP

H01M 8/1016 20160101ALI20240111BHJP

H01M 8/1058 20160101ALI20240111BHJP

H01B 1/06 20060101ALI20240111BHJP

B01D 71/82 20060101ALI20240111BHJP

C25B 13/02 20060101ALI20240111BHJP

【ＦＩ】

C08J5/22 101

C25B13/04 301

C25B13/05

C25B9/00 A

C25B1/04

H01M8/1004

H01M8/1016

H01M8/1058

H01B1/06 A

B01D71/82 500

C25B13/02 301

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023527000

(86)(22)【出願日】2021-04-28

(85)【翻訳文提出日】2023-06-14

(86)【国際出願番号】 US2021029705

(87)【国際公開番号】W WO2022098391

(87)【国際公開日】2022-05-12

(31)【優先権主張番号】63/109,943

(32)【優先日】2020-11-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522422218

【氏名又は名称】１エス１エナジーインコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】１Ｓ１ＥＮＥＲＧＹ，ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100228120

【弁理士】

【氏名又は名称】市川蓮太朗

(72)【発明者】

【氏名】スカンタバッタチャリャ

(72)【発明者】

【氏名】ダニエルソベク

【テーマコード（参考）】

4D006

4F071

4K021

5G301

5H126

【Ｆターム（参考）】

4D006GA16

4D006MA03

4D006MC01

4D006MC03

4D006MC04

4D006MC11

4D006PA10

4D006PB02

4D006PB17

4D006PB24

4D006PB55

4D006PB70

4D006PC80

4F071FA04

4F071FB01

4F071FC04

4F071FD04

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA04

4K021DB31

4K021DB48

4K021DC01

4K021DC03

5G301CD01

5H126AA05

5H126BB06

5H126GG11

5H126GG18

5H126HH10

(57)【要約】

プロトン交換膜は、多孔質構造のフレームワークと、多孔質構造のフレームワークに結合したホウ素ベースの酸性基を含む。多孔質構造のフレームワークは、アモルファス若しくは結晶性の無機材料、及び／又は合成若しくは天然のポリマーで形成され得る。ホウ素ベースの酸性基は、環状ホウ酸誘導体、ボロスピラニックアシッド、又はボロスピラニックアシッド誘導体等のホウ酸誘導体であってもよい。ホウ素ベースの酸性基は、ホウ酸又はホウ酸誘導体と、ポリヒドロキシ化合物との反応生成物であってもよい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

多孔質構造のフレームワークと、
前記多孔質構造のフレームワークに結合したホウ素ベースの酸性基と、を備える、プロトン交換膜。

【請求項2】

前記ホウ素ベースの酸性基が、環状ホウ酸誘導体を含む、請求項１に記載のプロトン交換膜。

【請求項3】

前記ホウ素ベースの酸性基が、ボロスピラニックアシッドを含む、請求項１に記載のプロトン交換膜。

【請求項4】

前記ホウ素ベースの酸性基が、カテコール誘導体を含む、請求項１に記載のプロトン交換膜。

【請求項5】

前記多孔質構造のフレームワークが、前記ホウ素ベースの酸性基によって連結された固体支持体粒子を含む、請求項１に記載のプロトン交換膜。

【請求項6】

前記多孔質構造のフレームワークが、多孔質ポリマーネットワークを含み、
前記ホウ素ベースの酸性基が、前記ポリマーネットワークの細孔表面に結合している、請求項１に記載のプロトン交換膜。

【請求項7】

前記多孔質構造のフレームワークが、無機材料を含む、請求項１に記載のプロトン交換膜。

【請求項8】

ホウ素ベースの酸性基を、多孔質構造のフレームワークに含まれる細孔表面と結合させることを含む、プロトン交換膜の作製方法。

【請求項9】

前記ホウ素ベースの酸性基が、環状ホウ酸誘導体を含む、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記ホウ素ベースの酸性基が、ボロスピラニックアシッドを含む、請求項８に記載の方法。

【請求項11】

前記ホウ素ベースの酸性基が、カテコール誘導体を含む、請求項８に記載の方法。

【請求項12】

前記結合させることが、ホウ酸又はホウ酸誘導体を、前記細孔表面に存在するヒドロキシル基と反応させることを含む、請求項８に記載の方法。

【請求項13】

前記結合させることが、ポリヒドロキシ化合物を、前記細孔表面に結合したホウ酸誘導体と反応させることを含む、請求項８に記載の方法。

【請求項14】

前記ホウ素ベースの酸性基によって、ナノ粒子を前記細孔表面に結合させることをさらに含む、請求項８に記載の方法。

【請求項15】

カソードと、
アノードと、
前記カソード及び前記アノードの間に配置されたプロトン交換膜と、を備え、
前記プロトン交換膜が、多孔質構造のフレームワークと、前記多孔質構造のフレームワーク中の細孔表面に結合したホウ素ベースの酸性基と、を含む、膜電極接合体。

【請求項16】

前記ホウ素ベースの酸性基が、環状ホウ酸誘導体を含む、請求項１５に記載の膜電極接合体。

【請求項17】

前記ホウ素ベースの酸性基が、ボロスピラニックアシッドを含む、請求項１５に記載の膜電極接合体。

【請求項18】

前記ホウ素ベースの酸性基が、カテコール誘導体を含む、請求項１５に記載の膜電極接合体。

【請求項19】

前記多孔質構造のフレームワークが、無機材料を含む、請求項１５に記載の膜電極接合体。

【請求項20】

前記アノード又は前記カソードの少なくとも１つが、触媒及び該触媒を結合するためのアイオノマーを含み、
前記アイオノマーが、ホウ素ベースの酸性基を含む、請求項１５に記載の膜電極接合体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願）
本出願は、２０２０年９月５日に出願された米国仮特許出願６３／１０９、９４３号の優先権を主張し、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

プロトン交換膜（ＰＥＭ）は、水素（Ｈ_２）及び酸素（Ｏ_２）等のガスを透過させないが、プロトン（Ｈ^＋）は移動させるように設計された半透膜である。ＰＥＭは、酸性条件下での水素燃料電池及び水電解システムで使用され得る。ＰＥＭは、強酸性の官能基を有する、機械的及び化学的耐性のある多孔質のフレームワークで構成され得る。例えば、ナフィオンベースのプロトン交換膜は、スルホン酸基を有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の多孔質構造のフレームワークを含む。解離しやすいスルホン酸基は、膜においてプロトン輸送剤として機能する。

【発明の概要】

【0003】

以下の記述は、本明細書で記述される方法及びシステムの１つ以上の態様の簡略化された要旨を示し、そのような態様の基本的な理解をもたらす。この要旨は、全ての予期される態様の広範な概要ではなく、全ての態様の鍵又は重要な要素を特定することを意図するものでも、任意の又は全ての態様の範囲を詳しく説明することを意図するものでもない。この唯一の目的は、以下で示されるより詳細な説明の前置きとして、本明細書で記述される方法及びシステムの１つ以上の態様のいくつかの概念を、単純化された形式で示すことである。

【0004】

いくつかの例示的な実施形態において、プロトン交換膜は、多孔質構造のフレームワークと、前記多孔質構造のフレームワークに結合したホウ素ベースの酸性基とを備える。

【0005】

いくつかの例示的な実施形態において、前記ホウ素ベースの酸性基は、環状ホウ酸誘導体を含む。

【0006】

いくつかの例示的な実施形態において、前記ホウ素ベースの酸性基は、ボロスピラニックアシッド（ｂｏｒｏｓｐｉｒａｎｉｃａｃｉｄ）を含む。

【0007】

いくつかの例示的な実施形態において、前記ホウ素ベースの酸性基は、カテコール誘導体を含む。

【0008】

いくつかの例示的な実施形態において、前記多孔質構造のフレームワークは、ホウ素ベースの酸性基によって連結された固体支持体粒子を含む。

【0009】

いくつかの例示的な実施形態において、前記多孔質構造のフレームワークは、多孔質ポリマーネットワークを含み、前記ホウ素ベースの酸性基は、該ポリマーネットワークの細孔表面と結合している。

【0010】

いくつかの例示的な実施形態において、多孔質構造のフレームワークは、無機材料を含む。

【0011】

いくつかの例示的な実施形態において、プロトン交換膜を作製する方法は、ホウ素ベースの酸性基を、多孔質構造のフレームワークに含まれる細孔表面と結合させることを含む。

【0012】

いくつかの例示的な実施形態において、結合させることは、ホウ酸又はホウ酸誘導体を、細孔表面に存在するヒドロキシル基と反応させることを含む。

【0013】

いくつかの例示的な実施形態において、結合させることは、ポリヒドロキシ化合物を、細孔表面と結合しているホウ酸誘導体と反応させることを含む。

【0014】

いくつかの例示的な実施形態において、前記方法は、ホウ素ベースの酸性基によって、ナノ粒子を細孔表面に結合させることをさらに含む。

【0015】

いくつかの例示的な実施形態において、膜電極接合体は、カソードと、アノードと、該カソード及び該アノードの間に配置されたプロトン交換膜とを備え、該プロトン交換膜は、多孔質構造のフレームワーク、及び多孔質構造のフレームワーク中の細孔表面に結合したホウ素ベースの酸性基を含む。

【0016】

いくつかの例示的な実施形態において、アノード又はカソードの少なくとも１つは、触媒及び該触媒を結合するためのアイオノマーを含み、該アイオノマーは、ホウ素ベースの酸性基を含む。

【図面の簡単な説明】

【0017】

添付の図面は、様々な実施形態を示すものであり、明細書の一部である。示される実施形態は、単なる例であり、本開示の範囲を限定するものではない。図面の全体にわたり、同一の又は類似の参照数字は、同一の又は類似の要素を示す。

【図1】図１は、多孔質構造のフレームワークと、該多孔質構造のフレームワークの細孔表面に結合したホウ素ベースの酸性基とを含む例示的なプロトン交換膜を示す。

【図2】図２Ａは、図１のＰＥＭにおける多孔質構造のフレームワークとホウ素ベースの酸性基との例示的な構造を示す。図２Ｂは、図１のＰＥＭにおける多孔質構造のフレームワークとホウ素ベースの酸性基との他の例示的な構造を示す。

【図3】図３Ａは、環状ホウ酸誘導体を合成する例示的な反応スキームを示す。図３Ｂは、ボロスピラニックアシッドを合成する例示的な反応スキームを示す。

【図4】図４Ａは、固体支持体に結合した単環環状ホウ酸誘導体を合成する例示的な反応スキームを示す。図４Ｂは、ペンダント部分を有する固体支持体に結合したボロスピラニックアシッドを合成する例示的な反応スキームを示す。

【図5】図５Ａは、カテコール誘導体を組み込んでいる固体支持体に結合した環状ホウ酸誘導体を合成する例示的な反応スキームを示す。図５Ｂは、カテコール誘導体及びペンダント部分を組み込んでいる固体支持体に結合したボロスピラニックアシッドを合成する例示的な反応スキームを示す。

【図6】図６は、ホウ素ベースの酸性基を含む架橋共重合体を合成する例示的な反応スキーム６００を示す。

【図7】図７は、多孔質構造のフレームワークの細孔表面を、ホウ酸誘導体で官能化する例示的な反応スキームを示す。

【図8】図８Ａは、多孔質構造のフレームワークの細孔表面を、ホウ酸誘導体で官能化する他の例示的な反応スキームを示す。図８Ｂは、多孔質構造のフレームワークの細孔表面を、ホウ酸誘導体（ボロスピラニックアシッド）で官能化する他の例示的な反応スキームを示す。

【図9】図９Ａは、ホウ酸誘導体（例えばボロスピラニックアシッド）によって、多孔質構造のフレームワークの細孔表面に粒子（例えばナノ粒子）を結合させる例示的な反応スキームを示す。図９Ｂは、ホウ酸誘導体を使用して、ポリマー構造内に多数のシートを含む多数の粒子を架橋する例示的な反応スキームを示す。

【図10】図１０は、ホウ素含有多孔質膜を組み込んだ例示的なプロトン交換膜水電解システムを示す。

【図11】図１１は、ホウ素含有多孔質膜を組み込んだ例示的なプロトン交換膜燃料電池を示す。

【発明を実施するための形態】

【0018】

ホウ素含有多孔質膜、並びにホウ素含有多孔質膜の作製方法及び使用方法を、本明細書で説明する。いくつかの例では、ホウ素含有多孔質膜は、多孔質構造のフレームワークと、該多孔質構造のフレームワークと共有結合したホウ素ベースの酸性基とを含む。前記多孔質構造のフレームワークは、アモルファスの若しくは結晶性の無機材料、及び／又は合成若しくは天然のポリマーで形成されていてもよい。前記ホウ素ベースの酸性基は、環状ホウ酸誘導体、ボロスピラニックアシッド（ｂｏｒｏｓｐｉｒａｎｉｃａｃｉｄ）、又はボロスピラニックアシッド誘導体等のホウ酸誘導体であってもよい。いくつかの例においては、前記ホウ素ベースの酸性基は、ホウ酸又はホウ酸誘導体とポリヒドロキシ化合物との反応生成物である。

【0019】

本明細書で記述されるホウ素含有多孔質膜は、酸性下で動作する水電解及び／又は燃料電池用途用のＰＥＭとして使用され得る。本明細書で記述されるホウ素含有ＰＥＭにおいては、カチオン（例えばプロトン）交換は、４価の負に帯電したホウ素原子とイオン的に結合したプロトンによりもたらされる。酸素－ホウ素結合の存在は、多孔質構造のフレームワークの親水性を向上させ、負に帯電したホウ素原子を安定させる。また、本明細書で記述されるホウ素含有ＰＥＭは、高い機械的強度、高いプロトン伝導度、低い電子伝導度、高ｐＨ勾配下での化学的安定性、耐久性を有し、製造コストが低い。ホウ素含有多孔質膜は、天然に豊富にあり、安価なホウ酸及びその前駆体（ホウ砂）から製造され得る。また、いくつかの例においては、本明細書で記述されるホウ素含有多孔質膜は、毒性物質を含有しない。

【0020】

本明細書で記述されるホウ素含有多孔質膜は、細菌、ウイルス、及び真菌胞子などの病原体をろ過及び／又は無力化するためにも使用され得る。例えば、ホウ素含有多孔質膜は、フェイスマスク、外科手術用マスク、エアフィルター、及び密閉空間（例えば家、オフィス、病院、工場、乗り物、飛行機等）用の空気清浄機に組み込まれてもよい。

【0021】

本明細書で記述される装置、構成及び方法は、上述した１つ以上の利益、並びに／或いは本明細書で明らかにされ得る様々な追加の及び／又は代わりの利益をもたらし得る。ここでは、図を参照して、様々な実施形態をより詳細に記述する。様々な変化物が本開示の範囲内で作製され得るため、以下の実施形態は、単なる例示であり、限定するものではないことを理解されるだろう。

【0022】

図１は、例示的なプロトン交換膜１００（ＰＥＭ１００）を示している。ＰＥＭ１００は、多孔質構造のフレームワーク１０２、及び多孔質構造のフレームワーク１０２の全体に分布し、多孔質構造のフレームワーク１０２の細孔表面に結合したホウ素ベースの酸性基１０４を含む。

【0023】

多孔質構造のフレームワーク１０２は、無機材料及び／又は有機材料を含む、任意の適切な材料又は材料の組み合わせで形成され得る。適切な無機材料としては、アモルファスの無機材料（例えばガラス、石英ガラス、又はセラミック）、及び／又は結晶性の無機材料（例えば石英、単結晶シリコン、又はアルミナ）が挙げられる。適切な有機材料としては、例えば、合成及び／又は天然のポリマー（例えばセルロース）が挙げられる。

【0024】

ＰＥＭ１００は、数ミクロンから数百ミクロンの範囲の厚さｄを有してもよい。本明細書で記述される構造であると、ＰＥＭ１００は、膜を通じて最大３０気圧の圧力差及び酸性ｐＨ勾配に耐え得る。ＰＥＭ１００は、水及びプロトンを透過させることができてもよく、これらは矢印１０６で示されるようにＰＥＭ１００を通って伝わり得るが、ＰＥＭ１００は、通常、水素及び酸素を含むガスを透過させない。

【0025】

ホウ素ベースの酸性基１０４は、図２Ａ及び２Ｂで示されるように、２つ以上の異なる構造でＰＥＭ１００内の細孔表面と結合し得る。図２Ａ及び２Ｂは、ＰＥＭ１００における多孔質構造のフレームワーク１０２及びホウ素ベースの酸性基１０４の例示的な構造を示している。図２Ａ及び２Ｂのそれぞれは、ＰＥＭ１００の一部のみ示しており、ＰＥＭ１００全体の特徴を代表するものであることを認識されるだろう。

【0026】

図２Ａに示される第１の例示的な構造２００Ａにおいて、細孔２０４に隣接する細孔表面は、ホウ素ベースの酸性基１０４が細孔表面２０２と結合されるように、ホウ素ベースの酸性基１０４で官能化されている。図２Ａは、細孔表面２０２と結合した１つのホウ素ベースの酸性基１０４のみを示しているが、多孔質構造のフレームワーク１０２は、任意の数及び濃度の細孔表面２０２に結合したホウ素ベースの酸性基１０４を有してもよい。

【0027】

図２Ｂに示される第２の例示的な構造２００Ｂにおいて、多孔質構造のフレームワーク１０２は、ホウ素ベースの酸性基１０４により共に連結された固体支持体粒子２０６（例えば固体支持体粒子２０６－１から２０６－４）を含む。連結された固体支持体粒子２０６は、固体支持体粒子２０６同士の間の空間に細孔２０８を形成する。ホウ素ベースの酸性基１０４は、細孔表面２１０（例えば固体支持体粒子２０６－１から２０６－４の細孔表面２１０－１から２１０－４）と結合される。図２Ｂは、４つの固体支持体粒子２０６が、ホウ素ベースの酸性基１０４によって連結されていることを示しているが、任意の他の数の固体支持体粒子２０６が、ホウ素ベースの酸性基１０４によって連結されてもよい。さらに、それぞれの固体支持体粒子２０６は、１つ以上のさらなるホウ素ベースの酸性基によって、１つ以上のさらなる固体支持体粒子と連結していてもよく、それによって、多孔質構造のフレームワーク１０２の細孔表面２１０に結合したホウ素ベースの酸性基１０４を有する多孔質構造のフレームワーク１０２を形成してもよい。

【0028】

固体支持体粒子２０６は、多孔質構造のフレームワーク１０２について上述した任意の材料等、例えば無機分子（例えば石英ガラス粒子、セラミック粒子等）又は有機分子（例えばポリマー）等の任意の適切な材料で形成されていてもよい。固体支持体粒子２０６は、任意の適切な形状及び数十ナノメートル（ｎｍ）から百ミクロンの範囲の大きさであってもよい。ＰＥＭ１００の間隙率は、固体支持体粒子２０６の大きさにより制御及び決定できる。また、固体支持体粒子２０６は、機械的強度、高ｐＨ勾配の環境における耐久性、及び／又は水に対する親和性のために選択してもよい（例えば、固体支持体粒子は、ＰＥＭ１００に要求される水親和性のバランスによって親水性又は疎水性を選択してもよい）。

【0029】

いくつかの例では、ホウ素ベースの酸性基１０４は、ホウ酸誘導体（例えばホウ酸由来の化合物又は基）を含む。ホウ酸は、分子式Ｂ（ＯＨ）_３であり、式（Ｉ）で与えられる以下の構造：

【化1】

を有する。

【0030】

ホウ酸誘導体は、ホウ酸の１つ、２つ又は全てのヒドロキシル（ＯＨ）基が反応し、１つ以上の他の化合物と結びついている任意の化合物又は基であり得る。例示的なホウ酸誘導体を、以下で詳細に説明する。

【0031】

ホウ酸誘導体を、任意の適切な方法で形成してもよい。いくつかの例においては、ホウ酸誘導体は、ホウ酸又は他のホウ酸誘導体と、１つ以上の他の化合物の１つ又は２つのヒドロキシル基との反応により形成される。例えば、ホウ酸又はホウ酸誘導体は、２つ以上のシス隣接のヒドロキシル基を有するポリヒドロキシ化合物と反応し得る。ホウ酸誘導体は、限定されるものではないが、環状ホウ酸誘導体、ボロスピラニックアシッド、ボロスピラニックアシッド誘導体、及び本明細書で記述される任意の他のホウ酸誘導体等の任意の適切なホウ酸誘導体が挙げられ得る。前記ポリヒドロキシ化合物は、ポリオール、糖、糖アルコール（例えばグリセロール、マンニトール又はソルビトール）、カテコール、又はこれらのいずれかの誘導体等の任意の適切なポリヒドロキシ化合物であってもよい。いくつかの例においては、ポリヒドロキシ化合物は、以下の式（ＩＩａ）又は（ＩＩｂ）：

【化2】

で表される構造を有し、式中、Ｗ、Ｘ、Ｙ及びＺは、ペンダント部分であり、それぞれ独立して、水素（Ｈ）、ヒドロキシル基（ＯＨ）、フルオロ基（Ｆ）、クロロ基（Ｃｌ）、ジアルキルアミノ基（ＮＲ_２）、シアノ基（ＣＮ）、カルボン酸（ＣＯＯＨ）、カルボン酸アミド、カルボン酸エステル、アルキル基、アルコキシ基、及びアリール基からなる群より選択され得る。いくつかの例においては、基Ｗ、Ｘ、Ｙ及びＺの任意の１つ以上は、酸素（Ｏ）、ヒドロキシル基（ＯＨ）、フルオロ基（Ｆ）、クロロ基（Ｃｌ）、ジアルキルアミノ基（ＮＲ_２）、シアノ基（ＣＮ）、カルボン酸（ＣＯＯＨ）、カルボン酸アミド、カルボン酸エステル、アルキル基、アルコキシ基、及びアリール基等の１つ以上の置換基を任意で含み得るＣ_１～Ｃ_３０アルキル鎖を表してもよい。

【0032】

ここでは、ポリヒドロキシ化合物とのホウ酸又はホウ酸誘導体の反応によりホウ酸誘導体を作製する例示的な反応スキームを示し、図３Ａ及び３Ｂを参照して記述する。以下の反応スキームは、単なる例示であり、限定するものではないことを認識されるだろう。

【0033】

図３Ａは、環状ホウ酸誘導体を合成する例示的な反応スキーム３００Ａを示している。示されているように、ホウ酸３０２は、グリセロール３０４と結びつき、環状ホウ酸誘導体３０６を生成する。グリセロール３０４は、式（ＩＩａ）により表され、式中、Ｘ、Ｙ及びＺは、それぞれ水素（Ｈ）であり、Ｗは、ヒドロキシメチル基（ＣＨ_２ＯＨ）である。図３Ａは、ホウ酸がグリセロール３０４と反応していることを示しているが、ホウ酸３０２は、任意の他の適切な糖（例えばグルコース、フルクトース等）、糖アルコール（例えばマンニトール、ソルビトール等）又はポリヒドロキシ化合物と反応してもよい。追加で又は代わりに、ホウ酸誘導体を、ホウ酸３０２の代わりに使用してもよい。

【0034】

図３Ｂは、ホウ酸誘導体でもあるボロスピラニックアシッドを合成する例示的な反応スキーム３００Ｂを示している。示されているように、図３Ａで示される反応スキーム３００Ａにより生成される環状ホウ酸誘導体３０６は、他のグリセロール分子３０４と結び付き、ボロスピラニックアシッド３０８を生成する。ホウ酸３０２は弱酸であるが、糖アルコール（例えばグリセロール３０４）等のポリヒドロキシ化合物の存在下で、強酸であるボロスピラニックアシッド３０８を形成する。図３Ｂは、環状ホウ酸誘導体３０６がグリセロール３０４と反応していることを示しているが、環状ホウ酸誘導体３０６は、任意の他の適切な糖、糖アルコール（例えばマンニトール、ソルビトール等）又はポリヒドロキシ化合物と反応してもよい。追加で又は代わりに、環状ホウ酸誘導体３０６は、任意の他の適切な環状ホウ酸誘導体で置き換えられてもよい。

【0035】

図３Ａ及び図３Ｂで示される反応スキーム３００Ａ及び３００Ｂは、細孔表面２０２（図２Ａ参照）に結合したホウ素ベースの酸性基１０４を生成するために、及び／又は細孔表面２１０（図２Ｂ参照）に結合したホウ素ベースの酸性基１０４を生成するために使用してもよい。いくつかの例においては、固体支持体材料の表面（例えば細孔表面２０２又は粒子表面２１０）は、ホウ酸誘導体又はポリヒドロキシ化合物で官能化され得る。ここでは、多孔質構造のフレームワーク１０２の細孔表面に結合したホウ素ベースの酸性基１０４を形成する例示的な反応スキームを示し、図４Ａ～９Ｂを参照して記述する。これらの反応スキームは、単なる例示であり、限定するものではないことを認識されるだろう。

【0036】

図４Ａは、固体支持体に結合した単環環状ホウ酸誘導体を合成する例示的な反応スキーム４００Ａを示している。示されているように、固体支持体４０２は、シス隣接するジヒドロキシ基を有するシス－１，２－ジヒドロキシ基４０４で官能化されている。固体支持体４０２は、多孔質構造のフレームワーク１０２について本明細書で記述される任意の無機又は有機固体支持体材料（例えば、ガラス、セラミック、合成高分子、天然高分子）で形成されていてもよく、固体支持体の機械的強度、高ｐＨ勾配での環境における耐久性、及び／又は水に対する親和性のために選択してもよい（例えば、ＰＥＭ１００に要求される水親和性のバランスによって、親水性又は疎水性を選択してもよい）。固体支持体４０２は、図２Ｂを参照して説明した固体支持体２０６に類似の粒子であってもよい。代わりに、固体支持体４０２は、図２Ａを参照して説明した多孔質構造のフレームワーク１０２の一部であってもよい。

【0037】

図４Ａで示されるように、シス－１，２－ジヒドロキシ基４０４は、式（ＩＩａ）で表される構造を有し、ペンダント部分Ｙ’及び固体支持体４０２に結合したリンカー鎖４０６（式（ＩＩａ）におけるペンダント基Ｗ又はＸで表される）を含む。リンカー鎖４０６は、Ｃ_１～Ｃ_３０アルキル鎖であり、任意で、リンカー鎖４０６の各原子と同一であっても又は異なってもよい１つ以上のペンダント部分Ｘ’を有する。Ｘ’及びＹ’は、それぞれ独立して、水素（Ｈ）、ヒドロキシル基（ＯＨ）、フルオロ基（Ｆ）、クロロ基（Ｃｌ）、ジアルキルアミノ基（ＮＲ_２）、シアノ基（ＣＮ）、カルボン酸（ＣＯＯＨ）、カルボン酸アミド、カルボン酸エステル、アルキル基、アルコキシ基、及びアリール基からなる群より選択され得る。

【0038】

シス－１，２－ジヒドロキシ基４０４は、ホウ酸４０８と反応し、固体支持体４０２と結合した単環環状ホウ酸誘導体４１０を生成する。この構造であると、固体支持体に結合した環状ホウ酸誘導体４１０は、ＰＥＭ１００の多孔質構造のフレームワーク１０２の細孔表面に結合したホウ素ベースの酸性基１０４をもたらし得る。代わりに、固体支持体に結合した環状ホウ酸誘導体４１０は、図４Ｂを参照してここで記述するように、ポリヒドロキシ化合物とさらに反応し、他のホウ酸誘導体（例えばボロスピラニックアシッド）を生成し得る。

【0039】

図４Ｂは、ペンダント部分を有する固体支持体に結合したボロスピラニックアシッドを合成する例示的な反応スキーム４００Ｂを示している。示されているように、固体支持体に結合した環状ホウ酸誘導体４１０（図４Ａで示される反応スキーム４００Ａで生成される）は、ペンダント部分Ａ’、Ｂ’、Ｃ’及びＤ’を有するポリヒドロキシ化合物４１２と結び付く。ポリヒドロキシ化合物４１２は、式（ＩＩａ）で表される構造を有する。したがって、ペンダント部分Ａ’、Ｂ’、Ｃ’及びＤ’は、式（ＩＩａ）に関して上述したペンダント部分Ｗ、Ｘ、Ｙ及びＺと一致し得る。

【0040】

固体支持体に結合した環状ホウ酸誘導体４１０及びポリヒドロキシ化合物４１２は、反応してペンダント部分Ａ’、Ｂ’、Ｃ’及びＤ’を有する固体支持体に結合したボロスピラニックアシッド４１４を生成する。この構造であると、固体支持体に結合したボロスピラニックアシッド４１４は、ＰＥＭ１００の多孔質構造のフレームワーク１０２の細孔表面と結合したホウ素ベースの酸性基１０４をもたらし得る。固体支持体に結合したボロスピラニックアシッド４１４は、Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’、Ｘ’及びＹ’置換の電気的性質に応じて、強いプロトン交換特性を示し得る。

【0041】

固体支持体４０２がポリマーネットワークを含む例では、固体支持体に結合したホウ酸誘導体４１０及び固体支持体に結合したボロスピラニックアシッド４１４を、それぞれホウ酸及びボロスピラニックアシッドの装填量を制御しながら、図１０及び１１を参照して以下で説明する、膜電極接合体中の触媒層に結合する触媒用のアイオノマーを形成するために使用してもよい。

【0042】

図５Ａは、カテコール誘導体を組み込んでいる固体支持体に結合した環状ホウ酸誘導体を合成する例示的な反応スキーム５００Ａを示している。反応スキーム５００Ａは、反応スキーム５００Ａではポリヒドロキシ化合物がカテコール誘導体を含むという点を除いて、反応スキーム４００Ａと同様である。

【0043】

反応スキーム５００Ａにおいて、固体支持体５０２は、カテコール誘導体５０４で官能化される。固体支持体５０２は、固体支持体４０２と同一又は類似であり得る。カテコール誘導体５０４は、式（ＩＩｂ）で表される構造を有し、ペンダント部分Ｗ”、Ｙ”及びＺ”、並びに固体支持体５０２に結合したリンカー鎖５０６（式（ＩＩｂ）のペンダント基Ｘで表される）を含む。リンカー鎖５０６は、Ｃ_１～Ｃ_３０アルキル鎖であり、任意で、１つ以上のペンダント部分Ｘ”を有しており、該ペンダント部分Ｘ”は、リンカー鎖５０６の各原子と同一であっても、又は異なってもよい。ペンダント部分Ｗ”、Ｘ”、Ｙ”及びＺ”は、それぞれ独立して、水素（Ｈ）、ヒドロキシル基（ＯＨ）、フルオロ基（Ｆ）、クロロ基（Ｃｌ）、ジアルキルアミノ基（ＮＲ_２）、シアノ基（ＣＮ）、カルボン酸（ＣＯＯＨ）、カルボン酸アミド、カルボン酸エステル、アルキル基、アルコキシ基、及びアリール基からなる群より選択され得る。

【0044】

カテコール誘導体５０４は、ホウ酸５０８と反応し、カテコール誘導体を組み込んでいる固体支持体に結合した環状ホウ酸誘導体５１０を生成する。固体支持体５０２がポリマーである場合、（例えばカテコール－ホルムアルデヒド樹脂を形成するために）カテコール構造を、図６を参照して以下で説明するように、重合中に導入してもよい。代わりに、カテコール構造を、（例えば、メリフィールドタイプの樹脂の機能変性により）後重合で導入してもよい。

【0045】

この構造であると、カテコール誘導体を組み込んでいる固体支持体に結合した環状ホウ酸誘導体５１０は、ＰＥＭ１００の多孔質構造のフレームワーク１０２の細孔表面に結合したホウ素ベースの酸性基１０４をもたらし得る。代わりに、カテコール誘導体を組み込んでいる固体支持体に結合した環状ホウ酸誘導体５１０は、図５Ｂを参照してここで説明するように、ポリヒドロキシ化合物とさらに反応し、他のホウ酸誘導体（例えばボロスピラニックアシッド誘導体）を生成し得る。

【0046】

図５Ｂは、カテコール誘導体及びペンダント部分を組み込んでいる固体支持体に結合したボロスピラニックアシッド誘導体を合成する例示的な反応スキーム５００Ｂを示している。反応スキーム５００Ｂにおいては、カテコール誘導体を組み込んでいる固体支持体に結合した環状ホウ酸誘導体５１０は、ペンダント部分Ａ”、Ｂ”、Ｃ”及びＤ”を有するポリヒドロキシ化合物５１２と結び付く。ポリヒドロキシ化合物５１２は、式（ＩＩａ）により表される構造を有する。したがって、ペンダント部分Ａ”、Ｂ”、Ｃ”及びＤ”は、式（ＩＩａ）に関して上述したペンダント部分Ｗ、Ｘ、Ｙ及びＺと一致し得る。

【0047】

カテコール誘導体を組み込んでいる固体支持体に結合した環状ホウ酸誘導体５１０は、ポリヒドロキシ化合物５１２と結び付き、カテコール誘導体を組み込んでおり、ペンダント部分Ａ”、Ｂ”、Ｃ”及びＤ”を含む固体支持体に結合したボロスピラニックアシッド５１４を生成する。この構造であると、カテコール誘導体を組み込んでおり、ペンダント部分を含む固体支持体に結合したボロスピラニックアシッド５１４は、ＰＥＭ１００中の多孔質構造のフレームワーク１０２の細孔表面に結合したホウ素ベースの酸性基１０４をもたらし得る。

【0048】

図６は、ホウ素ベースの酸性基を含有する架橋共重合体を合成する例示的な反応スキーム６００を示している。反応スキーム６００においては、カテコール６０２、ホルムアルデヒド６０４及びホウ酸６０６が結び付いて重合し、カテコール－ホルムアルデヒド－ホウ酸架橋共重合体６０８（「共重合体６０８」）を生成する。共重合体６０８は、ボロスピラニックアシッド基６１２により連結されたカテコール構造６１０を含む。共重合体６０８の個々のポリマーは、カテコール構造６１０の間の架橋６１４により架橋されている。また、共重合体６０８は、フェノール、レゾルシノール、及びトリヒドロキシフェノール等の他のフェノールモノマーを含んでもよい。

【0049】

共重合体６０８は、ＰＥＭ及びアイオノマーの用途に適している。例えば、図２Ｂで示されるＰＥＭ１００の構造は、（ホウ素ベースの酸性基１０４に対応する）ボロスピラニックアシッド基６１２が、（固体支持体粒子２０６に対応する）カテコール構造６１０と結合し、連結することにより形成され、それによって、多孔質構造のフレームワーク１０２を形成する。ボロスピラニックアシッド基６１２のｍｏｌ％含有量は、図１０及び１１を参照して以下で説明する、ＰＥＭ１００として、又はＭＥＡ中の触媒層に結合する触媒用の、触媒用アイオノマーとして、最適な機能的性質のために制御してもよい。

【0050】

前述のように、いくつかの例においては、多孔質構造のフレームワーク１０２内の細孔表面（例えば細孔表面２０２）は、ホウ素ベースの酸性基１０４で官能化される（図２Ａ参照）。図７～９Ａは、多孔質構造のフレームワークの細孔表面をホウ素ベースの酸性基で官能化する例示的な反応スキームを示している。これらの反応スキームは、細孔表面に１つ以上のヒドロキシル基がある固体支持体材料と相性が良い。このような材料の例としては、限定されるものではないが、シリカ、ガラス、アルミナ、クレー、合成ポリマー、及びセルロースが挙げられる。

【0051】

図７は、ホウ素ベースの酸性基で細孔表面を官能化する例示的な反応スキーム７００を示している。図７で示されているように、固体支持体７０２は、表面７０４及び表面７０４におけるヒドロキシル基７０６を含む。固体支持体７０２の表面７０４は、多孔質構造のフレームワーク１０２の細孔表面（例えば図２Ａで示される表面２０２）、又は固体支持粒子（例えば図２Ｂで示される固体支持体粒子２０６の表面２１０）であり得る。図７は、表面７０４が、一つのヒドロキシル基７０６のみ有していることを示しているが、表面７０４は、任意の他の量及び濃度のヒドロキシル基７０６を有していてもよい。反応スキーム７００において、固体支持体７０２の表面７０４は、ホウ酸７０８に曝され、ヒドロキシル基７０６と反応し、表面７０４に結合したホウ酸誘導体７１０を形成する。固体支持体に結合したホウ酸誘導体７１０は、ＰＥＭ１００の多孔質構造のフレームワーク１０２の細孔表面に結合したホウ素ベースの酸性基１０４をもたらし得る。代わりに、固体支持体に結合したホウ酸誘導体７１０は、ホウ酸、他のホウ酸誘導体又はポリヒドロキシ化合物とさらに反応し、他のホウ酸誘導体を生成してもよい。

【0052】

図８Ａは、ホウ素ベースの酸性基で多孔質構造のフレームワークの細孔表面を官能化する他の例示的な反応スキーム８００Ａを示している。反応スキーム８００Ａは、ホウ酸７０８が表面７０４の２つのヒドロキシル基７０６と反応し、環状ホウ酸誘導体８０２を生成することを除き、反応スキーム７００と同様である。いくつかの例においては、表面７０４を、ヒドロキシル基７０６の表面密度を増加させるために予め活性化させてもよい。任意の適切な予備活性化プロセスを使用してもよい。環状ホウ酸誘導体８０２は、ＰＥＭの多孔質構造のフレームワーク１０２の細孔表面に結合したホウ素ベースの酸性基１０４をもたらし得る。代わりに、環状ホウ酸誘導体８０２は、図８Ｂを参照してここで説明するように、さらに反応して他のホウ酸誘導体を生成してもよい。

【0053】

図８Ｂは、ホウ酸誘導体（例えばボロスピラニックアシッド基）で多孔質構造のフレームワークの細孔表面を官能化する他の例示的な反応スキーム８００Ｂを示している。反応スキーム８００Ｂにおいては、図８Ａで示される反応スキーム８００Ａで生成した環状ホウ酸誘導体８０２は、ペンダント部分Ａ’’’、Ｂ’’’、Ｃ’’’及びＤ’’’を有するポリヒドロキシ化合物８０４と結び付く。ポリヒドロキシ化合物８０４は、式（ＩＩａ）で表される構造を有する。したがって、ペンダント部分Ａ’’’、Ｂ’’’、Ｃ’’’及びＤ’’’は、式（ＩＩａ）に関して上述したペンダント部分Ｗ、Ｘ、Ｙ及びＺと一致し得る。環状ホウ酸誘導体８０２及びポリヒドロキシ化合物８０４は、反応してペンダント部分８０６を有するボロスピラニックアシッドを生成し、細孔表面７０４に結合される。ペンダント部分８０６を有する、固体支持体に結合したボロスピラニックアシッドは、ＰＥＭ１００の多孔質構造のフレームワーク１０２の細孔表面に結合したホウ素ベースの酸性基１０４をもたらし得る。

【0054】

図９Ａは、ホウ酸誘導体（例えばボロスピラニックアシッド）によって、多孔質構造のフレームワークの細孔表面に粒子（例えば、ナノ粒子又は微粒子）を結合させる例示的な反応スキーム９００Ａを示している。ＰＥＭ１００の間隙率は、粒子９０２の大きさによって制御して決めることができる。粒子９０２は、機械的強度、高ｐＨ勾配の環境における耐久性、及び／又は水に対する親和性のために選択してもよい（例えば、固体支持体粒子は、ＰＥＭ１００に要求される水親和性のバランスによって親水性又は疎水性を選択してもよい）。

【0055】

スキーム９００Ａは、ヒドロキシル基９０４を有する粒子９０２が、ホウ酸７０８に結合することを除いて、スキーム８００Ａと同様である。結果として、細孔表面７０４上のヒドロキシル基７０６は、ホウ酸７０８を使用して、粒子９０２の表面上のヒドロキシル基９０４と架橋される。このクロスカップリング反応は、ボロスピラニックアシッド９０６によって、粒子９０２と細孔表面７０４の連結をもたらす。粒子９０２は、任意の適切な材料（例えば、シリカ、ガラス、アルミナ、セラミック、クレー、合成ポリマー、セルロース）で形成されていてもよく、固体支持体７０２の材料と同一であってもよいし、又は異なっていてもよい。

【0056】

反応スキーム９００Ａを制御し、任意の順序で進めてもよい。いくつかの例においては、反応スキーム９００Ａの第１のステップは、固体支持体に結合した環状ホウ酸誘導体８０２を生成する反応スキーム８００Ａを行うことを含む。第２のステップにおいては、粒子９０２は、固体支持体に結合した環状ホウ酸誘導体８０２に曝され、固体支持体に結合したボロスピラニックアシッド９０６を生成し得る。別の方法において、第１のステップでは、粒子９０２は、ホウ酸７０８と結合し、中間体であるホウ酸誘導体を生成し得る。第２のステップにおいては、固体支持体７０２の表面７０４上のヒドロキシル基７０６が、中間体であるホウ酸誘導体に曝され、反応して固体支持体に結合したボロスピラニックアシッド９０６を生成し、粒子９０２と固体支持体７０２を連結させる。他のさらなる例においては、反応スキーム９００Ａは、単一のステップにおいて全ての反応物を結合させることにより実行され得る。

【0057】

図９Ｂは、ホウ酸誘導体を使用して、ポリマー構造内の多数のシートを含む多数の粒子を架橋させる例示的な反応スキーム９００Ｂを示している。反応スキーム９００Ｂは、反応スキーム９００Ｂにおいて、粒子９０２（第１の粒子９０２）が、（細孔表面７０４上のヒドロキシル基７０６で架橋される代わりに）２つのヒドロキシル基９１０を差し出す第２の粒子９０８で架橋されることを除いて、反応スキーム９００Ａと同様である。第１の粒子９０２及び第２の粒子９０８は、それぞれ微粒子又はナノ粒子であり、特定の実施に適し得るような任意の大きさ（例えば、数ナノメートルから数百ミクロンまでの大きさに及び得る）であり得る。反応スキーム９００Ｂは、ボロスピラニックアシッド基９１４で連結された粒子９１２を生成する。第１の粒子９０２及び第２の粒子９０８は、同一の材料又は使用している異なる材料からできていてもよく、該材料は、本明細書で記述される任意の固体支持体材料（例えば、シリカ、ガラス、アルミナ、セラミック、クレー、合成高分子、セルロース等）から選択され得る。

【0058】

反応スキーム９００Ｂは、図２Ｂに示される第２の構造２００Ｂを効率的に使用して、ＰＥＭ１００を製造するために使用され得る。ＰＥＭ１００の間隙率は、第１の粒子９０２及び第２の粒子９０８の大きさによって決定され得る。

【0059】

本明細書で記述されるホウ素含有多孔質膜は、水電解及び／又は燃料電池の用途で使用されてもよい。ここでは、例示的な用途を、図１０及び１１を参照して説明する。

【0060】

図１０は、ホウ素含有多孔質膜を組み込んでいる、例示的なプロトン交換膜水電解システム１０００（ＰＥＭ水電解システム１０００）を示している。ＰＥＭ水電解システム１０００は、電気を使用し、電気化学反応によって水を酸素（Ｏ_２）及び水素（Ｈ_２）に分解する。ＰＥＭ水電解システム１０００の構造は、他の適切な水電解システムと同様に、他の適切な構造がホウ素含有多孔質膜を組み込んでもよいため、単なる例示であり、限定されるものではない。

【0061】

図１０に示されるように、ＰＥＭ水電解システム１０００は、膜電極接合体１００２（ＭＥＡ１００２）、多孔質輸送層１００４－１及び１００４－２、バイポーラ板１００６－１及び１００６－２、並びに電力供給源１００８を含む。また、ＰＥＭ水電解システム１０００は、特定の実施をし得るときに、図１０で示されていない追加の又は代わりの構成要素を含んでもよい。

【0062】

ＭＥＡ１００２は、第１の触媒層１０１２－１及び第２の触媒層１０１２－２の間に配置されるＰＥＭ１０１０を含む。ＰＥＭ１０１０は、プロトン（Ｈ^＋）等のカチオンの選択的な伝導性をもたらしながら、また、水素や酸素等のガスを透過させないようにしながら、第１の触媒層１０１２－１を第２の触媒層１０１２－２から電気的に分離している。ＰＥＭ１０１０は、任意の適切なＰＥＭとされ得る。例えば、ＰＥＭ１０１０は、多孔質構造のフレームワーク内の細孔表面に結合したホウ素ベースの酸性基を有する、多孔質構造のフレームワークを含むホウ素含有多孔質膜（例えばＰＥＭ１００）とされ得る。

【0063】

第１の触媒層１０１２－１及び第２の触媒層１０１２－２は、白金、ルテニウム、及び／又は酸化セリウム（ＩＶ）等の埋設された電気化学触媒（図示せず）を有する伝導性電極である。いくつかの例においては、第１の触媒層１０１２－１及び第２の触媒層１０１２－２は、触媒ナノ粒子を結合するアイオノマーを使用して形成される。前述のように、第１の触媒層１０１２－１及び第２の触媒層１０１２－２を形成するために使用されるアイオノマーは、本明細書で記述されるように、コポリマー６０８（図６参照）等のホウ素ベースの酸性基を含んでもよい。

【0064】

ＭＥＡ１００２は、多孔質輸送層１００４－１と１００４－２との間に設置され、該ＭＥＡ１００２は、同様に、バイポーラ板１００６－１と１００６－２との間に設置され、流路１０１４－１及び１０１４－２は、バイポーラ板１００６と多孔質輸送層１００４との間に位置する。

【0065】

ＭＥＡ１００２において、第１の触媒層１０１２－１は、アノードとして機能し、第２の触媒層１０１２－２は、カソードとして機能する。ＰＥＭ水電解システム１０００が、電力供給源１００８によって電極を供給される場合、以下の電気化学半反応で表される酸素発生反応（ＯＥＲ）がアノード１０１２－１で起こる。
２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－
プロトンは、ＰＥＭ１０１０を通ってアノード１０１２－１からカソード１０１２－２に伝導し、電子は、ＰＥＭ１００周辺の伝導経路により、アノード１０１２－１からカソード１０１２－２に伝導する。ＰＥＭ１０１０は、アノード１０１２－１からカソード１０１２－２へのプロトン（Ｈ^＋）及び水の移動を可能にするが、酸素及び水素は透過させない。カソード１０１２－２では、プロトンは、以下の電気化学半反応で表される水素発生反応（ＨＥＲ）において電子と結合する。
４Ｈ^＋＋４ｅ^－→２Ｈ_２

【0066】

ＯＥＲ及びＨＥＲは、電気により水を分解する２つの相補的な電気化学反応であり、以下の全体水電解反応により表される。
２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２

【0067】

図１１は、ホウ素含有多孔質膜を含む、例示的なプロトン交換膜燃料電池１１００（ＰＥＭ燃料電池１１００）を示している。ＰＥＭ燃料電池１１００は、電気化学反応の結果として電気を生成する。この例において、電気化学反応は、水素ガス（Ｈ_２）及び酸素ガス（Ｏ_２）を反応させ、水及び電気を生成することを含む。他の適切なプロトン交換膜燃料電池と同様に、他の適切な構造は、ホウ素含有多孔質膜を取り入れてもよいため、ＰＥＭ燃料電池１１００の構造は、単なる例示であり、限定されるものではない。

【0068】

図１１に示されるように、ＰＥＭ燃料電池１１００は、膜電極接合体１１０２（ＭＥＡ１１０２）、多孔質輸送層１１０４－１及び１１０４－２、バイポーラ板１１０６－１及び１１０６－２を有する。電気機器１１０８は、ＭＥＡ１１０２に電気的に接続され、ＰＥＭ燃料電池１１００により駆動される。また、ＰＥＭ燃料電池１１００は、特定の実施をもたらすように、図１１に示されていない追加の又は代わりの構成要素を含んでもよい。

【0069】

ＭＥＡ１１０２は、第１の触媒層１１１２－１と第２の触媒層１１１２－２との間に配置されるＰＥＭ１１１０を含む。ＰＥＭ１１１０は、プロトン（Ｈ^＋）等のカチオンの選択的な伝導をもたらしながら、また、水素や酸素等のガスを透過させないようにしながら、第１の触媒層１１１２－１を第２の触媒層１１１２－２から電気的に分離している。ＰＥＭ１１００は、任意の適切なＰＥＭにより与えられてもよい。例えば、ＰＥＭ１１１０は、多孔質構造のフレームワークの細孔表面に結合したホウ素ベースの酸性基を有する、多孔質構造のフレームワークを含むホウ素含有多孔質膜（例えばＰＥＭ１００）により与えられる。

【0070】

第１の触媒層１１１２－１及び第２の触媒層１１１２－２は、埋設された電気化学触媒（図示せず）を有する伝導性電極である。いくつかの例では、第１の触媒層１１１２－１及び第２の触媒層１１１２－２は、触媒ナノ粒子を結合するアイオノマーを使用して形成される。いくつかの例においては、第１の触媒層１１１２－１及び第２の触媒層１１０４－２の形成に使用されるアイオノマーは、共重合体６０８（図６参照）等の本明細書で記述されるようなホウ酸誘導体を組み込んでいるアイオノマーを含む。

【0071】

ＭＥＡ１１０２は、多孔質輸送層１１０４－１と１１０４－２との間に設置され、結果として、バイポーラ板１１０６－１と１１０６－２との間に設置され、流路１１１４はそれらの中間に位置する。ＭＥＡ１１０２において、第１の触媒層１１１２－１は、カソードとして機能し、第２の触媒層１１１２－２は、アノードとして機能する。カソード１１１２－１及びアノード１１１２－２は、機器１１０８に電気的に接続され、機器１１０８を駆動するＰＥＭ燃料電池１１００によって電気が生み出される。

【0072】

ＰＥＭ燃料電池１１００の稼働中に、水素ガス（Ｈ_２）は、ＰＥＭ燃料電池１１００のアノード側に流れ込み、酸素ガス（Ｏ^２）は、ＰＥＭ燃料電池１１００のカソード側に流れ込む。アノード１１１２－２において、水素分子は、以下の水素酸化反応（ＨＯＲ）に従って、触媒によりプロトン（Ｈ^＋）及び電子（ｅ^－）に分解される。
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ^－
プロトンは、ＰＥＭ１１００を通って、アノード１１１２－２からカソード１１１２－１に移動し、電子は、伝導経路及び機器１１０８を通って、ＰＥＭ１１１０周辺のアノード１１１２－２からカソード１１１２－１に伝導する。カソード１１１２－１において、プロトン及び電子は、以下の酸素還元反応（ＯＲＲ）に従って、酸素ガスと結合する。
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－→２Ｈ_２Ｏ
したがって、ＰＥＭ燃料電池１１００での全体の電気化学反応は、
２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ
である。

【0073】

全体反応において、ＰＥＭ燃料電池１１００は、カソード１１１２－１で水を生成する。水は、ＰＥＭ１１１０を通ってカソード１１１２－１からアノード１１１２－２に流れ込み得、ＰＥＭ燃料電池１１００のカソード側及び／又はアノード側の排出口を通って除去され得る。全体反応は、アノードにおいて、機器１１０８を駆動する電子を発生させる。

【0074】

本明細書で記述されるホウ素含有多孔質膜（例えばＰＥＭ１００）は、病原体中和多孔質膜として使用してもよい。例えば、多孔質構造のフレームワーク１０２は、細菌、真菌胞子及びウイルス等の病原体の移動を防ぐのに十分小さい細孔を有していてもよい。また、ホウ素ベースの酸性基１０４は、細菌、真菌、及びＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２を含むウイルスに対する抗病原性活性を有していてもよい。例えば、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２を含む病原体の塩基性タンパク部位は、プロトン交換膜の酸性のホウ素部位とイオン的に結合してもよく、それによって、プロトン交換膜を通じての病原体の移動を防いでもよい。結果として、プロトン交換膜は、フェイスマスク、外科手術用マスク、並びに密閉空間（例えば、家、オフィス、病院、工場、乗り物、航空機等）用のエアフィルター及び空気清浄機で実装され得る。

【0075】

前述の説明において、添付の図を参照して、様々な例示的な実施形態を記述した。しかしながら、以下の特許請求の範囲の範囲から逸脱しないで、様々な改良物及び変化物が作製され得、さらなる実施形態が実装され得ることは明白であるだろう。例えば、本明細書で記述される１つの実施形態のある特徴を、本明細書で記述される他の実施形態の特徴と組み合わせてもよいし又は置き換えてもよい。したがって、本明細書及び図面は、限定的意味ではなく、例示的なものであるとみなされたい。

【0076】

前述の説明において、添付の図を参照して、様々な例示的な実施形態を説明した。しかしながら、以下の特許請求の範囲に記載されている発明の範囲を逸脱しないで、様々な改良物及び変化物を作製し、さらなる実施形態が実装され得ることは明白であるだろう。例えば、本明細書に記述される１つの実施形態のある特徴を、本明細書で記述される他の実施形態の特徴と組み合わせてもよいし又は置き換えてもよい。したがって、本明細書及び図面は、限定的意味ではなく、例示的なものであるとみなされたい。

【図1】