2021 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular insight into gas separation processes in polymeric membranes
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20K14644
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
吉本 勇太 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90772137)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 有機・無機ハイブリッド膜 / 固有微細孔性高分子 / シリカ / 二酸化炭素 / 溶解度係数 / 拡散係数 / 分子動力学シミュレーション / モンテカルロシミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，分子動力学（molecular dynamics, MD）及びgrand canonical Monte Carlo（GCMC）シミュレーションを用いて，固有微細孔性高分子（polymers of intrinsic microporosity, PIMs）の一つであるPIM-1とアモルファスシリカから成る有機・無機ハイブリッド膜（mixed matrix membranes, MMMs）の界面モデル系を作成し，二酸化炭素，メタン，窒素の溶解・拡散挙動を解析した．GCMCシミュレーションを用いた気体の吸着挙動の解析の結果，シリカ表面近傍に存在する直径0.3 nm以下の小さな空隙により多くの気体分子が吸着し，いずれの気体においても，MMMではバルクPIM-1に比べて溶解度係数が向上することが分かった．一方で，MD及びdual-mode sorptionモデルから算出された拡散係数は，気体の種類によって異なる傾向を示した．即ち，MMMでは，バルクPIM-1に比べて，二酸化炭素の拡散係数は低下したが，メタンと窒素の拡散係数は増加した．これらの差異は，シリカ表面が及ぼす2つの競合する効果に起因する．即ち，シリカ表面が存在することで，分子鎖のパッキングが阻害され，直径1 nm以上の大きな空隙が生成されることで気体の拡散性が促進される効果と，気体分子とシリカ表面のヒドロキシ基の間に作用する四重極子-双極子相互作用によって気体の拡散性が抑制される効果である．メタンと窒素の拡散性は，前者の影響をより強く受けるのに対して，大きな四重極子モーメントを有する二酸化炭素の拡散性は，後者の影響をより強く受けることが分かった．これらの結果は，PIM-1/シリカ界面のごく近傍における気体の溶解・拡散挙動に新たな知見をもたらすものであり，これまで実験的には確認されていなかったものである．
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