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Gas diffusion and formation of hydrates through water nanotubes

Research Project

Project/Area Number 20K05259
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 28030:Nanomaterials-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

Matsui Hiroshi  東北大学, 理学研究科, 准教授 (30275292)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Keywordsガスハイドレート / 水ナノチューブ / 水和 / 水素結合 / ガス吸蔵 / プロトン伝導 / 拡散 / 分子動力学計算 / 生体高分子
Outline of Research at the Start

分子性ナノ多孔質結晶に内包された水ナノチューブ、及び生体高分子に水和する水分子系について、低圧でガス分子を安定化させる、新たなガス吸蔵法を開拓する。非接触なマイクロ波計測により、水素結合で結ばれた水分子系におけるガス分子の拡散過程と水和状態を調べる。テラヘルツ~赤外分光実験、及び第1原理計算も実施して、プロトン伝導性の抑制機構、水和状態、及び骨格分子の影響を明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

Methane has many interests because of a novel fuel resource. We have succeeded in methane storage employing the hydrophilic nanochannel and water nanotube of molecular porous crystals under mild condition like room temperature, high relative humidity (80%RH) and low pressure (0.4 MPa). The process of methane storage that is accompanied by a dehydration from the nanochannel finally reaches the stable state via the metastable one. From the molecular dynamics simulation for those states, we have clarified the configuration and storage amount of water and methane molecules in the nanochannel.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

マイクロ波測定から取得したプロトン伝導率と赤外吸光度スペクトルの組み合わせは、ナノ空間における水和状態と水分子数を決定する上で、有力な手段であることを示した。また、分子性ナノ多孔質結晶では初めて分子動力学計算に成功し、メタンの水和構造と吸蔵量を決定した。耐水性が高い分子性ナノ多孔質結晶は、マイルドな環境下でも、水蒸気との混合ガスから選択的にメタン吸蔵が行え、かつ、MOFに匹敵する高密度なメタン吸蔵が可能であることを明らかにした。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (26 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 4 results) Presentation (18 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Mechanisms of the antiferro-electric ordering in superprotonic conductors Cs3H(SeO4)2 Aand Cs3D(SeO4)22022

    • Author(s)
      Hiroshi Matsui, Kakeru Fukuda, Saki Takano,Yuka Ikemoto, Takahiko Sasaki, Yasumitsu Matsuo
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 156 Issue: 20 Pages: 204504-204504

    • DOI

      10.1063/5.0088230

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  • [Journal Article] Van der Waals interactions regulating the hydration of 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine, the constructing monomer of biocompatible polymers2022

    • Author(s)
      Takahashi Masae、Chen Sifan、Matsui Hiroshi、Morimoto Nobuyuki、Ikemoto Yuka
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 20393-20393

    • DOI

      10.1038/s41598-022-24841-y

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Terahertz frequency shifts due to multiphonon scattering in thiamin crystals containing hydrated ions2022

    • Author(s)
      Takahashi Masae、Kowada Mitsuru、Matsui Hiroshi、Kwon Eunsang、Ikemoto Yuka
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 120 Issue: 5 Pages: 051104-051104

    • DOI

      10.1063/5.0071195

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  • [Journal Article] Temperature-Dependent Low-Frequency Vibrations of Thiamine Crystal Containing Hydrated Ions2021

    • Author(s)
      Takahashi Masae、Kowada Mitsuru、Matsui Hiroshi、Kwon Eunsang、Ikemoto Yuka
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry A

      Volume: 125 Issue: 9 Pages: 1837-1844

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.0c09756

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    • Author(s)
      H. Matsui, K. Shimatani, Y. Ikemoto, T. Sasaki, Y. Matsuo
    • Journal Title

      J. Chem. Phys.

      Volume: 152 Issue: 15 Pages: 154502-154502

    • DOI

      10.1063/1.5145108

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  • [Journal Article] Proton Conduction via Water Bridges Hydrated in the Collagen Film2020

    • Author(s)
      Matsui Hiroshi、Matsuo Yasumitsu
    • Journal Title

      Journal of Functional Biomaterials

      Volume: 11 Issue: 3 Pages: 61-61

    • DOI

      10.3390/jfb11030061

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      第48回固体イオニクス討論会
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      渥美圭脩、田所誠、松井広志
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      福田翔、高野紗季、松尾康光、松井広志
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      http://web.tohoku.ac.jp/ldp/

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  • [Remarks] 低次元量子物理グループ

    • URL

      http://ldp.phys.tohoku.ac.jp/

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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