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First-Principles Statistical Thermodynamics and Materials Informatics Considering Weak Interactions: Exploring Gas Separability of Deep Eutectic Solvents

Research Project

Project/Area Number 21H01894
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
Research InstitutionChuo University

Principal Investigator

Mori Hirotoshi  中央大学, 理工学部, 教授 (90501825)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
Keywords深共融溶媒 / ガス分離能力 / マテリアルズ・インフォマティクス / 弱い相互作用 / 第一原理統計熱力学計算 / COSMO-RS法 / CO2分離回収液 / 弱い分子間相互作用 / 塩化コリン / イオン性化合物 / 第一原理分子シミュレーション
Outline of Research at the Start

CO2ネガティブエミッション技術を開発するには、その大規模排出源から、CO2を分離回収する安全で安価な吸収液が必要となる。本研究では、安価な水素結合性有機固体を混合するだけで安全に得ることができる深共融溶媒を中心に、そのガス分離特性の向上可能性を検証する。そのためには、ファンデルワールス相互作用などの弱い分子間相互作用も精密記述可能な、定量的第一原理統計熱力学理論を構築せねばならない。本研究では、精密なab initio分子軌道法をベースとした第一原理統計熱力学理論を開発し、機械学習と連携することで、深共融溶媒が未来の有望なCO2吸収液候補であるかどうか、その可能性を予測・検証する。

Outline of Final Research Achievements

To develop "CO2 negative emission" technology on a global scale as a countermeasure against global warming, a safe and inexpensive absorbent is needed to recover CO2 from its large-scale emission sources by removing hydrocarbons and hydrogen sulfide, which can be used as resources. CO2 absorbent solutions developed in the past, such as aqueous amine solutions and ionic liquids, have difficulties in energy balance, toxicity, and price during regeneration, and their gas separation capacity needs to be increased. In this study, we examined the possibility of improving their gas separation properties, focusing on deep co-melting solvents, which can be safely obtained simply by mixing in inexpensive hydrogen-bonded organic solids. First-principles statistical thermodynamics COSMO-RS calculations show that the deep-confusion solvents with tertiary amines have superior CO2 absorption even under wet conditions.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で得られた、湿潤条件においてもCO2吸収に優れる三級アミンを持つ深共融溶媒は、実験的に創成が可能な化学種から構成されている。即ち、実合成およびガス吸収実験を実施し、その機能を検証することができれば、世界規模で求められている「CO2 ネガティブエミッション」技術の開発につながる。深共融溶媒は、安価に合成できるが、どのようなものを合成すれば、CO2分離により優れた材料となるかは自明ではなく、その開発が遅々としていた。本研究は、国際社会に貢献するCO2吸収性深共融溶媒を、具現化する手段を理論的に明示したものであり、本研究成果は、その意味合いにおいての社会に貢献するものと考えられる。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (26 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 3 results) Presentation (18 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 11 results) Remarks (5 results)

  • [Journal Article] COSMO-RS Exploration of Highly CO2-Selective Hydrogen-Bonded Binary Liquid Absorbents under Humid Conditions: Role of Trace Ionic Species2023

    • Author(s)
      S. Watabe, N. Kuroki, H. Mori
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 8 Issue: 16 Pages: 14478-14483

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c08250

    • Related Report
      2023 Annual Research Report 2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Machine Learning-Boosted Design of Ionic Liquids for CO2 Absorption and Experimental Verification2023

    • Author(s)
      Kuroki Nahoko、Suzuki Yuki、Kodama Daisuke、Chowdhury Firoz Alam、Yamada Hidetaka、Mori Hirotoshi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 127 Issue: 9 Pages: 2022-2027

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c07305

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Comprehensive COSMO-RS Exploration of Highly CO2 Selective Hydrogen-bonding Binary Absorbents even under Humid Conditions2021

    • Author(s)
      Watabe S., Kuroki N., Mori H.
    • Journal Title

      ChemAxiv

      Volume: -

    • DOI

      10.26434/chemrxiv-2022-bwc99

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  • [Presentation] 分子動力学計算を用いた CO2 吸収に優れる塩化コリン系深共融溶媒の溶液構造の検討2024

    • Author(s)
      渡部 栞・黒木 菜保子・森 寛敏
    • Organizer
      化学工学会第89回年会
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  • [Presentation] 環境化学を志向した機能性液体の第一原理物性予測2024

    • Author(s)
      黒木菜保子・森寛敏
    • Organizer
      化学工学会第89回年会
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  • [Presentation] Challenge for Predicting Thermodynamic Properties of the Functional Liquid Materials based on Molecular Fragment Information2024

    • Author(s)
      Nahoko KUROKI, Hirotoshi MORI
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    • Author(s)
      黒木 菜保子・森 寛敏
    • Organizer
      第6回 イオン液体研究会
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      黒木 菜保子・信岡 春香・森 寛敏
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      H. Mori
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  • [Presentation] Machine Learning-Boosted Quantum Chemical Design of Ionic Liquids for CO2 Absorption and Experimental Verification2023

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      H. Mori
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      17th International Congress of Quantum Chemistry
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Comprehensive COSMO-RS Exploration of Highly CO2 Selective Hydrogen-bonding Binary Absorbents even under Humid Conditions2023

    • Author(s)
      Watabe S., Kuroki N, Mori H
    • Organizer
      日本化学会春季年会 2023
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  • [Presentation] フラグメント分子シミュレーションと機械学習による機能性液体の物性スクリーニング2022

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      黒木菜保子・森寛敏
    • Organizer
      コンピューター化学会 20周年記念シンポジウム
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      黒木菜保子・森寛敏
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      人工知能学会 第122回人工知能基本問題研究会(SIG-FPAI)
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      森寛敏
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  • [Presentation] 第一原理統計熱力学計算による水素結合性混合有機溶媒のガス分離性の検討2022

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      渡部栞・黒木菜保子・森寛敏
    • Organizer
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      Mori H.
    • Organizer
      PACIFICHEM 2020
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Materials informatics for designing CO2 capturing liquids with selectivity2021

    • Author(s)
      Kuroki N., Mori H.
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      The 1st Symposium on Carbon Ultimate Utilization Technologies for the Global Environment (CUUTE-1)
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      2021 Annual Research Report
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  • [Presentation] 電子状態インフォマティクスで拓く高精度機能材料設計:ガス吸収液・電子材料を例として2021

    • Author(s)
      森 寛敏
    • Organizer
      JST-CREST「革新的触媒 領域」触媒インフォマティクス研究会 2021
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  • [Presentation] 物性を直裁に記述する電子的特徴量を用いた MI によるものづくりの加速2021

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      森 寛敏
    • Organizer
      近畿化学協会コンピューター化学部会(第 110 回例会)
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    • Author(s)
      黒木菜保子、渡部尚汰郎、森寛敏
    • Organizer
      化学工学会 第52回秋季大会
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      鈴木 祐輝,児玉 大輔,森 寛敏,黒木 菜保子,山田 秀尚
    • Organizer
      化学工学会 第52回秋季大会
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  • [Remarks] 理工学研究科2023年度前期過程修了生 渡部 栞さんが化学工学会第89回年会において学生奨励賞を受賞

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      https://www.chuo-u.ac.jp/academics/faculties/science/departments/chemistry/news/2024/04/70646/

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      https://www.chuo-u.ac.jp/academics/faculties/science/departments/chemistry/news/2023/04/65803/

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      https://www.keguanjp.com/kgjp_keji/kgjp_kj_hj/pt20230508000001.html

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  • [Remarks] Machine learning‐boosted design of ionic liquids

    • URL

      https://sj.jst.go.jp/news/202305/n0515-01k.html

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Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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