Gas recognition and observation of the structural change in adsorption process in porous coordination polymers

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02575
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28030:Nanomaterials-related
• Research Institution: Osaka Metropolitan University (2022); Osaka Prefecture University (2020-2021)
• Principal Investigator: Kubota Yoshiki 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (50254371)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松田 亮太郎 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00402959) ; 河口 彰吾 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主幹研究員 (10749972) ; 石橋 広記 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (70285310)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 多孔性配位高分子 / MOF / ガス吸着 / 放射光粉末回折法 / 結晶PDF解析

Outline of Final Research Achievements

In this study, structural changes of porous coordination polymers upon gas adsorption process were investigated by synchrotron powder diffraction. The acetylene adsorption structure of CID-35 with multi-step acetylene adsorption isotherms was determined. It was suggested that with increasing gas pressure, the flamework changes flexibly accompanied with increasing spacing between structural units, sliding structural units, and rotation of pillar molecules. The interaction between acetylene molecules also contributes to the creation of a stepwise stable state. Millisecond-order time-resolved powder diffraction experiments on the adsorption of CO2 on CPL-1 were performed, and the obtained time evolution of the adsorption phase was analyzed by a kinetic model, which revealed that there are two steps in the initial stage of CO2 adsorption. As described above, we could obtain the knowledge on the structural changes in the gas adsorption process of porous coordination polymers.

Free Research Field

構造物性，結晶学，放射光科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

多孔性配位高分子は骨格構造を変形しながらガス分子を取り込む点が極めて重要な性質である。回折法によりガス吸着前後の静的な結晶構造は明らかにされてきたが、ガス吸着過程の動的な結晶構造はほとんど解明されていない。本課題で時間分解粉末回折法によりガス吸着相の時間発展と同時に結晶構造の変化を捉えることができたことは大きな進展である。本研究の結果は、多孔性配位高分子の機能を理解し、さらに応用に繋げる上で有用な情報となり得る。例えば、圧力スイング法によるガス分離では、骨格構造の変形やリガンドの変化がどのように起こっているかを知ることにより、より優れたガス分離能を持つ物質の設計・合成に繋がると期待される。