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Development of synthetic approach for preparing gas separation membrane consisting of MOF/polyimide mixed-matrix membranes

Research Project

Project/Area Number 23K04897
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
Research InstitutionKonan University

Principal Investigator

鶴岡 孝章  甲南大学, フロンティアサイエンス学部, 准教授 (20550239)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
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: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywords金属有機構造体 / 混合マトリクス膜 / 薄膜 / 自己組織化 / ガス分離
Outline of Research at the Start

ガス分離・回収は極めて重要な技術の一つであり、現行技術ではエネルギー消費量が甚大なため、代替技術の開発が求められている。本研究では、現行のガス分離法に変わる低コストかつ単純な手法の根幹を担うと期待される膜分離技術における混合マトリクス膜(Mixed-Matrix Membrane: MMM)作製法の開発を目的とする。この目的の達成により、例えばCO2削減などの世界全体が抱えるエネルギー・環境問題に対して貢献可能になる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、金属イオンをドープした高分子フィルムを用いて金属有機構造体(Metal-Organic Frameworks: MOFs)/高分子混合マトリクス膜を作製し、ガス分離膜へと展開することを目的としている。
令和5年度では主に核形成・核成長速度が形成するMOF結晶のサイズや密度に与える影響について検討した。配位子や結晶成長を促すモジュレーター濃度を制御し、核形成速度を増大させると結晶サイズが小さく、さらには結晶同士が融合することなく結晶間に空隙が形成されることが明らかとなった。一方、結晶成長が優先的になる反応系の場合、大きな結晶が疎に形成されることが分かった。これらの知見を基に適切な核形成・核成長速度反応系を構築し、MOF膜を作製したところ、結晶が融合した緻密なMOF膜が得られることが明らかとなった(Inoganics 2024, 12, 21)。
上記検討に加え、MOF前駆体を全て含有した高分子フィルムを用いた混合マトリクス膜作製についても検討し、予備的段階ではあるが高分子フィルム内に一様にMOF結晶が形成されることを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では、MOF/高分子混合マトリクス膜の作製法の確立を目指しており、初年度においてMOF形成過程の解析と得られる膜の微細構造と反応条件の相関を明らかにすることを目標に設定していた。
初年度を終えた現在のところ、反応条件によってMOF結晶のサイズ、密度、そして結晶形成する位置(膜表面、膜内部)を制御できることを明らかにするとともに、膜表面においてMOF連続膜を作製することに成功した。また、MOF前駆体含有高分子溶液を用いて膜内にMOF結晶が分布した混合マトリクス膜の作製にも成功した。
以上より、当初の計画通り順調に進展していること、また一歩前進した新たな知見を得ることにも成功していることから、「おおむね順調に進展している。」とした。

Strategy for Future Research Activity

令和6年度では、金属イオン量を制御し、混合マトリクス膜内におけるMOF充填量を制御することを目的としている。現時点においてMOF充填量20wt%までならば膜内にMOFを均一に分散させることが可能な知見を得ているが、最終目標である30wt%は未知の領域である。そのためMOF充填量の増大を可能とする手法の開発が課題である。基本的には前駆体調整時に金属イオン量を増大させるというシンプルな手法を考えているが、市販の金属塩のみならず溶解性向上のため配位子制御を行う事で金属イオン含有量を増大させる予定である。また、高充填量実現のためこれまでPMDA-ODA型ポリイミドを中心に検討してきたが、高分子骨格についても検討をする予定である。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (6 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (4 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Direct Formation of ZIF-8 Crystal Thin Films on the Surface of a Zinc Ion-Doped Polymer Substrate2024

    • Author(s)
      Takaaki Tsuruoka, Kaito Araki, Kouga Kawauchi, Yohei Takashima, Kensuke Akamatsu
    • Journal Title

      Inorganics

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 21-21

    • DOI

      10.3390/inorganics12010021

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] MOF結晶の直接合成によるMOF分散高分子薄膜の作製2024

    • Author(s)
      福岡美海、髙嶋洋平、赤松謙祐、鶴岡孝章
    • Organizer
      日本化学会第104春季年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 金属イオンドープ高分子薄膜を用いたMOF分散高分子薄膜の作製2023

    • Author(s)
      福岡美海、髙嶋洋平、赤松謙祐、鶴岡孝章
    • Organizer
      錯体化学会第73回討論会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] MOF前駆体含有ポリアミック酸溶液を用いたMetal-Organic Frameworkの直接合成2023

    • Author(s)
      江口慧一、髙嶋洋平、赤松謙祐、鶴岡孝章
    • Organizer
      錯体化学会第73回討論会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] MOF前駆体含有ポリアミック酸溶液を用いたMOF均一分散薄膜の作製2023

    • Author(s)
      江口慧一、髙嶋洋平、赤松謙祐、鶴岡孝章
    • Organizer
      第13回CSJ化学フェスタ
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Remarks] 甲南大学フロンティアサイエンス学部・ナノ材料科学研究室

    • URL

      http://www.konan-u.ac.jp/hp/FIRST_nanomaterials/

    • Related Report
      2023 Research-status Report

URL: 

Published: 2023-04-13   Modified: 2024-12-25  

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