Functional nanomaterials to capture carbonic acid by acid-base reaction in water
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23K04533
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 28030:Nanomaterials-related
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
吉田 絵里 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60263175)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2026: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
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| Keywords | 炭酸 / 二酸化炭素捕捉 / 酸塩基反応 / 高分子アミン / イオン交換反応 / 高分子電解質 / 自己組織化 / ナノカプセル / 機能性ナノ材料 / 炭素固定化 |
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| Outline of Research at the Start |
二酸化炭素が水と反応して生じる炭酸は、水中でも分解しやすいため、有機材料の原料に用いた例はほとんどない。本研究では、炭酸の容易に起こる酸塩基反応を利用して、水中で炭酸を捕捉する新規な機能性ナノ材料を創製する。具体的な研究項目は、①炭酸を捕捉してかたちを変える高分子集合体の創製、②炭酸の捕捉で帯電した高分子から複合体の創製、③複合体内部への炭酸の取り込みと貯蔵、④炭酸の捕捉による電解質への応用の４項目である。
本研究により、炭酸を原料とする新しい炭素固定化法が確立され、地球温暖化や海洋酸性化の早期解決につながる技術への応用が期待できる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
炭酸は化学的な反応性が高いにもかかわらず、二酸化炭素の水への溶解度が小さいために水中に存在する炭酸の濃度が低く、そのため、炭酸は材料開発の原料として認識されてこなかった。そこで、本研究では水中で炭酸を効率よく捕捉する化合物の探索と、炭酸を捕捉した化合物の材料設計への応用について検討を行った。
低分子および高分子のアミノ化合物について、水中での炭酸の捕捉効率と保持能力を、アミノ化合物の水溶液のpHの変化や電気伝導度の測定によって評価した。その結果、同じアミノ基濃度に対して、高分子アミンであるポリアリルアミン（PAA）が炭酸の捕捉効率と保持能力が高いことがわかった。この炭酸の捕捉について、PAAの分子量の影響を調べた。分子量の異なる３種類のPAA（Mw=1600, 5000, および15000）について調査した結果、PAAの捕捉効率は分子量に依存しないことがわかった。一方、電気伝導度は分子量の増加により低下した。同じ分子量のPAAの塩酸塩電解質を用いて詳細に検討した結果、この電気伝導度の低下は、分子量の増加によって溶液の粘度が上昇したことに起因することが明らかになった。また、PAAは、水溶液に窒素と二酸化炭素を交互に導入することによって、可逆的に炭酸の脱着を繰り返すことがわかった。
さらに、炭酸を捕捉したPAAの材料設計への応用を目的として、PAAに捕捉された炭酸の一部をドデシル硫酸ナトリウムでイオン交換した。その結果、PAAに捕捉されたドデシル基の自己組織化によって、ナノサイズのカプセルが形成された。このカプセルは、PAAの分子量や濃度に依存して球状や棒状に変化した。これらの研究成果をまとめた論文は、国際的な学術誌に掲載され、国際会議でも招待講演を行った。また、国際的な賞であるAsia's Outstanding Researcher Award 2023が授与された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題の計画調書では、2023年度の研究計画は「水中で炭酸を効率よく捕捉・脱離する塩基試薬を用いて、炭酸の捕捉と脱離に連動して立体的なかたちを変化させる、ナノサイズの高分子集合体の創製までを行う」ことになっている。この計画を達成するために、「炭酸の捕捉と脱離を効率よく行う塩基試薬の高分子化」と「炭酸の捕捉と脱離に連動して立体的なかたちを変化させる高分子集合体の創製」をその検討項目とした。この研究計画通り、水中で炭酸を効率よく捕捉する高分子化した塩基試薬を見つけ、また、異なる気体を交互に導入する方法を、炭酸の捕捉と脱離に連動させることができた。さらに、炭酸を捕捉した高分子塩基試薬をイオン交換反応によって界面活性剤様の構造に変換し、その自己組織化から、ナノサイズの高分子集合体であるナノカプセルを創製することができた。このように、当初の研究計画をすべて達成し、本研究課題は現在までおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題の研究調書に記載の研究計画にしたがって、2024年以降は「炭酸を捕捉するとプラスに帯電することを利用して、反対の電荷をもつ高分子との静電気的な引力によってナノサイズの複合体を創製し、その内部に炭酸を貯蔵できるかを調べる」ことについて研究を推進する。その方法として「炭酸の捕捉で帯電した高分子による高分子複合体の形成」、「炭酸を貯蔵する高分子複合体の創製」、および「炭酸の捕捉による電解質への応用」を検討する。2024年度は、その第１の検討項目である「炭酸の捕捉で帯電した高分子による高分子複合体の形成」についての研究を実施する。
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Report
(1 results)
Research Products
(3 results)
