2019 Fiscal Year Research-status Report
Creation of novel ion sieve electroactive permeable membranes for continuous separation and recovery technology of lithium
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19K12395
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
官 国清 弘前大学, 地域戦略研究所, 教授 (90573618)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 曉弘 弘前大学, 地域戦略研究所, 准教授 (30514434)
阿布 里提 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (70565374)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | リチウムイオン分離 / 金属イオンシーブ配向透過膜 / 電界強化型電気活性膜分離 / リチウムマンガン酸化物 / 導電性ポリマー透過膜 / 多孔性有機金属構造体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、多イオン共存条件の下、高リチウムイオン選択性を有する金属イオンシーブ配向透過膜の創製を中心にしている。また、高周波パルス膜電位の印加による膜内イオン・電荷移動特性、イオン交換サイトにおけるリチウムイオンの可逆的な吸着・脱着特性、膜の動的輸率と膜構造との関係及び膜のシーブ効果などを調べ、膜の選択透過機構の解明を目指す。更に、補助電場の印加とカップリングによるリチウムイオン選択透過性及び膜中イオン移動速度に対する促進効果を調べ、リチウムイオン透過性および選択性のトレードオフを打破した斬新な電界強化型電気活性膜分離システムを構築し、リチウムイオンの迅速かつ連続的に分離回収する。本年度では高リチウムイオン選択性を有する金属イオンシーブ配向透過膜の候補材料のスクリーニングを行った。つまり、リチウムイオン選択性材料として、LiMn2O4、Li1.33Mn1.67O4、Li1.6Mn1.6O4などのリチウムマンガン酸化物、Li+の選択分離に有効な電気化学的に制御できるイオン交換（ESIX）特性かつ高選択性を有する導電性ポリマー透過膜として、ポリピロール（PPｙ）、ポリスチレンスルホネート（PSS）及びPPy/PSS複合体、多孔性有機金属構造体（MOF）として、UIO-66、ZIF-8、NOTT-112、MOP-18、HKUST-1などの設計可能な構造、調整可能な細孔サイズ、高表面積、およびLi+イオン交換容量を持つMOF材料を検討した。また、PPy/HKUST-1透過膜電極を試作し、Li+イオン吸着容量は36.7mg/gに達し、K+, Na+, Mg2+, Cu2+に対して選択性はそれぞれ36、 120、 170、30に示した。
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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
本年度では予定の通り、まず、高リチウムイオン選択性を有する金属イオンシーブ配向透過膜の候補材料のスクリーニングを行った。つまり、リチウムイオン選択性材料として、LiMn2O4、Li1.33Mn1.67O4、Li1.6Mn1.6O4などのリチウムマンガン酸化物、Li+の選択分離に有効な電気化学的に制御できるイオン交換（ESIX）特性かつ高選択性を有する導電性ポリマー透過膜として、ポリピロール（PPｙ）、ポリスチレンスルホネート（PSS）及びPPy/PSS複合体、多孔性有機金属構造体（MOF）として、UIO-66、ZIF-8、NOTT-112、MOP-18、HKUST-1などの設計可能な構造、調整可能な細孔サイズ、高表面積、およびLi+イオン交換容量を持つMOF材料を検討した。また、PPy/HKUST-1透過膜電極を試作し、Li+イオン吸着容量は36.7mg/gに達し、K+, Na+, Mg2+, Cu2+に対して選択性はそれぞれ36、 120、 170、30に示した。また、3D多孔質構造を持つ新規電気二重層イオン輸送炭素ベース膜も開発したが、Li+イオンの分離に成功しなかった。しかし、ほかの金属イオン（亜鉛イオン）分離に応用できた。これから、炭素ベース膜の表面修飾によって、Li+イオンの分離に可能かどうかを検討する。更に、Li1.6Mn1.6O4/PPy/PSSも合成し、高リチウムイオン選択性を有する金属イオンシーブ配向透過膜の試作に進める。
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| Strategy for Future Research Activity |
これから、これまで開発したパルス電位印加でin-situのイオンインプリンティングができる導電性ポリマー重合技術を用い、Li+の選択分離に有効なESIX特性かつ高選択性を有する導電性ポリマー透過膜を合成する上で、さらに無機系ESIX材料を複合化することで飛躍的にイオン輸送抵抗を低減したデュアルイオンチャネルを有する印加電位応答型無機・有機複合電位振動イオンシーブ膜を創製する。また、多孔性有機金属構造体（MOF）薄膜を合成する上で、その細孔をアニオン性ポリマーまたはクラウンエーテルの修飾によりLi+の選択分離に有効な電位振動イオンシーブ膜を創製する。さらに、電位振動イオンシーブ膜合成方法及び膜構造の形成メカニズム、電位振動イオンシーブ膜の微細構造及び電気化学特性と膜の選択透過性の関係、イオンチャネル内でのLi+の移動機構、補助電場と膜電位振動の相乗効果による選択的なイオンの移動及び透過性能への促進機構と電気活性イオン選択透過膜分離システムの設計原理などの解明を目指す。
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| Causes of Carryover |
今年度は人件費が予定の通り少なく発生したため、35,078 円の次年度使用額が生じた。来年度実験用の消耗品が多く発生可能性があるため、これは部品費に使う予定である。
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