2022 Fiscal Year Annual Research Report
3D Imaging Analysis of Chemical State during Adsorption Processes om MOFs with CT-XAFS Methods
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20H02822
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
坂本 裕俊 京都大学, 高等研究院, 特定講師 (90768649)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | MOF / XAFS / イメージング / 吸着 / 時間分解 / CT |
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| Outline of Annual Research Achievements |
MOF (Metal-Organic Framework) は、金属イオンと有機配位子からなる多孔性結晶材料であり、その高い構造設計性からゲスト分子のサイズや化学的性質に合わせた吸着機能が期待できる。MOFの分子吸着にともなう構造・状態変化は、X線回折により結晶格子レベルで明らかにされてきたが、原理的に結晶粒子内の反応や状態変化の空間分布を見ることができない。現実にMOFを材料として使用するときの形態は固体粒子であり、1粒子全体で内部の反応の進行を知ることは実用上重要である。しかし、結晶粒子内の反応性を視覚的に捉えることは、結晶構造レベルでの可視化に比べて進展が遅れていた。そこで本研究では、オペランドX線吸収イメージングによりMOF 1粒子の吸着過程の平衡と速度論を、時間・空間の両観点で可視化することを目指した。
MOFの吸着過程におけるゲスト分子の吸着拡散を可視化するために、MOF結晶粒子内の化学状態の分布を定量的に三次元的に可視化できるXAFS-CTイメージングのための吸着その場観測システムを新規に立ち上げた。不飽和CoイオンサイトをもつMOF-74-Co結晶粒子における水（ゲスト分子）の配位吸着過程において、オペランドCo K端XAFS-CT計測を行い、MOF 1粒子内の水分子の配位吸着分布の三次元可視化に成功した。各吸着平衡状態において配位吸着量の分布が１粒子内で不均一であることがわかった。
この結果を踏まえ、どのような動的過程を経て平衡状態へと至るかという問題が顕在化し、これを可視化することを目指した。そこで、MOF-74-Coに飽和水蒸気をトリガー導入した際の吸着挙動について、時間分解X線吸収イメージングを行った。その結果、MOFの結晶構造に基づく一次元細孔、およびクラックを介して１粒子内で吸着状態が広がる様子をリアルタイムで可視化することに成功した。
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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