2020 Fiscal Year Research-status Report
塩基性固体合成プロセスに基づく新しい気体透過材料の構築と温室効果ガス分離への応用
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19K12387
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
塩月 雅士 東京都市大学, 理工学部, 准教授 (30362453)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩村 武 東京都市大学, 理工学部, 准教授 (10416208)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 自立膜 / ポリピロール / ポリフラン / ポリチオフェン / 気体透過 / 気体分離 / 選択的気体透過膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度は、前年度に確立した高分子膜合成法を気体透過膜・分離膜へと発展させ、実際の性能測定を行った。この合成法確立に至るまでに見出された新たなC-C結合生成反応および同反応により合成可能となった新規化合物については学術論文誌に投稿し、掲載された。関連のC-C結合生成反応により様々な原子団を有する複素環化合物モノマーから任意の厚さの膜が得られることが明らかとなり、そのそれぞれについて気体分離性能測定を行った。特に本研究の主目的である窒素原子を導入した塩基性固体膜材料については二酸化炭素の選択性および気体透過性は中程度にとどまることが明らかとなった。ただし予想外の結果として、合成した膜の一部については窒素ガスに対する酸素ガスの分離性能が非常に優れていることが明らかになった。
塩基性材料ではなく中性を示す高分子膜材料としてポリピロールを主材料とした場合の検討も行った。膜の合成については先の含窒素高分子膜と同様に行うことができ、簡便な手法で多種多様な高分子膜を得ることができた。実際に得られた高分子膜の気体透過性を検討したところ、こちらの場合も上述の結果と同様に窒素ガスに対する酸素ガスの気体分離性能が非常に高いことが示された。この結果が示唆する内容としては、上述の窒素原子含有高分子膜すなわち塩基性の膜材料が酸素分子の分離性能を向上させている要因ではない可能性であり、その解明については次の課題として認識している。以上の結果については、日本化学会第101回春季年会により発表を行ったほか、現在学術論文誌へ投稿するためその内容を取りまとめている。
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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
当初の計画に挙げた膜合成法の確立については予定通り進んだが、得られた高分子膜の特性は予想とは異なる結果が得られている。特に二酸化炭素の分離膜としての性能は、従来のものとほぼ同等程度にとどまり、すなわち予想したほど優れた分離性能を示さないということが明らかになった。また気体の透過性能についても非常に優れた性能を示しているわけではないため上記内容と合わせて改良が必要な状況にある。
ただ、予想外の気体分離性能も見られており、特に窒素ガスに対する酸素ガスの分離性能は従来のものに比べ大幅に向上しており、これをさらに発展させることは有意義だと考えられる。また研究の進捗で明らかになった膜の他の物理特性については、例えば電気伝導性や水分等に対する膨潤性能など種々の特異的性質が明らかになっているため、それらの特性と分子構造の相関関係についても明らかにすることは重要であると考える。
膜の構造については当初予定していた共役構造からなる主鎖の他、非共役部位が多く生じることも明らかになってきている。また合成時に必要なブレンステッド酸がドーパントとして合成時に自動的に膜へ取り込まれることも明らかにしており、その含有率の決定はこれからの課題ではあるが、その特異構造に由来する膜物性について検討する材料となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の発展については、上述のように二酸化炭素の分離に対しては膜の分離性能及び気体の透過性の双方において改善が必要である。特に気体透過性の向上については、分子間隙をより広げるために置換基導入が必須であると考えられるため、これを検討する。特に本研究で用いている高分子膜は複素環化合物に由来するものであるため、分子鎖間のπ-πスタッキングが分子間隙を狭めている可能性を考え、それを阻害する立体的にかさ高い置換基の導入が有効であると考える。間隙が広がることにより一般的には気体分離性能が低下する場合も多いが、本膜材料においては、多数の塩基性含窒素部位が効率的に二酸化炭素分子と相互作用すると考えられるため、気体分離性能の低下を防ぐ効果について検証していきたい。
本年度は、研究当初の計画にあったイミン部位を多数有するモノマーの重合についても検討する予定である。これについては、これまでに合成した材料に比べ窒素含有率の向上が達成できるためより高い二酸化炭素の分離性能が期待できる。その高分子膜の合成法についてはここまで検討が十分でなく、実際の手法が確立できていないためこれに取り組む。具体的には、イミン部位を多数有する分子ブロックとして例えばメラミンやメレムを用い対応する重合体を得る．メラミンおよびメレムは窒化炭素材料合成時の原料となるもので，種々の塩基性無機材料合成に汎用的に用いられる原料であることからこれらを用いた有機高分子材料合成について検討する。メラミンやメレムを膜材料化するためにはアルデヒド化合物をコモノマーとした重合を試みる．
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| Causes of Carryover |
予定と異なる費用が生じている理由については、前年度に生じた費用差額がその主たる要因であり、当初購入を予定していたガスクロマトグラフィー分析装置が修理品でまかなえることから新規購入の必要がなくなったためである。その結果が現在の研究費用の実情に影響を与えていると言える。
また当該年度はコロナウィルスの感染状況から実際に研究を実施できる期間が少なく、予定していた研究費の額に対し実際の費用が低くなるという状況であったことも要因である。
これを踏まえて新年度の計画としては、新たな膜合成の装置の購入を検討している。特に低温での膜合成を実施できる装置や、時間に対する温度プログラムが可能な装置が求められているため検討する。他にも合成後の膜乾燥についてはこれまで従来保持していた簡易的な装置を用いているため新たな装置の購入を検討している。
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Research Products
(5 results)
