2021 Fiscal Year Annual Research Report
Kinetic modelling of the gate adsorption of soft porous crystals based on in-situ stress measurements
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21H01690
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
渡邉 哲 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80402957)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮原 稔 京都大学, 工学研究科, 教授 (60200200)
平出 翔太郎 京都大学, 工学研究科, 助教 (60853207)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | Soft MOF / ゲート吸着 / AFM / 自由エネルギー解析 / エネルギー障壁 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，構造柔軟性を持つ多孔性配位錯体(Soft MOF)が示す，分子吸着が誘起する構造転移挙動を対象に，速度論的特性の解析手法確立と その機構解明を目指した検討を行った。本年度はまず，Soft MOFの構造変化過程における応力プロファイルの測定手法確立を試みた。Soft MOFとしてElastic Layered MOF-12(ELM-12)を対象とした。ELM-12は層状型Soft MOFの代表例であり，銅イオンにビピリジンが配位することで形成される２次元レイヤーを，トリフルオロメタンスルホン酸(OTf)を介して分散力で積層した層状構造を有し，層間隔が開くことでゲスト分子を取り込むという構造柔軟性を示す。ELM-12は，Cu(OTf)2水溶液とビピリジンのエタノール溶液を，高い混合性能を有するマイクロリアクタを用いて混合することで，粒子サイズの揃ったELM-12の合成に成功した。ELM-12は板状の粒子であり，典型的なサイズは横幅15 um，厚み4 umであった。反応溶液の濃度・反応温度を変えることで，1 umから20 um程度のサイズのELM-12粒子を合成した。ELM-12粒子の構造変形過程の応力測定は，コロイドプローブAFMを用いて行った。ELM-12粒子を付着させたガラス基板を水中に浸漬し，粒子内部に水分子が取り込まれた"OPEN"な状態のELM-12粒子とした。その後，AFM探針に20 umのシリカ粒子を接着したコロイドプローブを接近させ，押し付ける際にカンチレバーに働く力を測定した。粒子を押し付けることによって，内部に取り込まれた水分子が押し出され，それに伴い，斥力が検出された。この過程は，ELM-12に取り込まれた水分子の脱着過程に対応すると考えられる。得られた応力を距離で積分することにより，構造変更に伴う自由エネルギー変化を求めることに成功した。
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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
当初予定していた通り，Soft MOF粒子の構造変化過程における応力プロファイルの測定手法を確立できたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は，環境設定の容易さという観点から，水中での応力測定を実施した。これは，飽和蒸気圧における吸着状態からの脱着過程と見なすことができる。この測定を，より実際のゲート吸着過程に沿った解析へと展開するために，今後は，任意の対象ガス圧力下における気相中におけるAFM応力測定の環境構築を行う。その上で，別途，吸着等温線の測定からゲート圧を求め，ゲート圧付近での応力測定を行うことで，ゲート脱着過程の速度論的解析を目指す。
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