| 研究課題/領域番号 |
23H00165
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分19:流体工学、熱工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 東京科学大学 |
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研究代表者 |
村上 陽一 東京科学大学, 総合研究院, 教授 (80526442)
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| 研究分担者 |
植草 秀裕 東京科学大学, 理学院, 准教授 (60242260)
道信 剛志 東京科学大学, 物質理工学院, 教授 (80421410)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2028-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
47,320千円 (直接経費: 36,400千円、間接経費: 10,920千円)
2025年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
2024年度: 10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円)
2023年度: 19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)
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| キーワード | 分子骨格系 / CO2の吸着と分離 / ナノ・マイクロ熱工学 / 材料創製 / 熱力学 / CO2吸着・分離 / 材料創成 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
大気中のCO2は増加の一途を辿り，人類の存続に危機をもたらしている．CO2の排出削減には様々な規模と種類の排出源に対して低消費エネルギーでCO2の分離を行う新技術が必要だが，現状そのような技術は存在していない．本研究は，近年研究が活発化している共有結合性有機骨格（COF）という高い設計自由度と安定性をもつ分子骨格系を用いた革新的なCO2固体吸収材（低熱容量かつ安定性・環境親和性の高い材料）の創出とその特性解明を目的とする．その追求とともに，そのような材料系の特性理解と最適化に必要となるミクロスケールとマクロ・システムスケールとの間を繋ぐ新しい融合熱学術を構築してゆく．
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| 研究実績の概要 |
大気中CO2濃度の急速な上昇は人類の存続に疑問を投げかけている。国際エネルギー機関のシナリオでは2050年に76億トンのCO2分離回収を想定しているが、多岐にわたるCO2源にこれを行える技術は未だ存在しない。本研究は、共有結合性有機骨格（Covalent Organic Framework, COF）という近年世界で研究が活発化している分子骨格系、特に、代表者が結晶成長に強みと実績を持ち、bottom-upの機能設計自由度が高い３次元COFを基盤に、「従来のCO2回収技術の短所を解決する革新的なCO2固体吸収材の創出」及び「現状学術が未発達なミクロ・量子化学とマクロ・システムとの間を繋ぐ一貫学術の構築」を達成することを目的としている。
初年度の本年度は、目的達成に資する新規COFの創製に取り組んだ。具体的に、交付申請書に記載したように、(i) 代表者らが創製した未報告構造をもつCOFの特性解明及びCO2吸着特性の評価、及び、(ii) 高いCO2吸着能力をもつ新規COF創製のためのビルディングブロック分子（COFの原料モノマー分子）の検討・探索を行った。
(i)については、研究分担者の植草秀裕准教授の貢献によりX線構造解析から構造決定と解釈に成功した。さらに、当該COFのCO2吸脱着特性を明らかにし、解明した骨格構造との関係を考察できた。現在、本COFについて特許出願と論文投稿を進めている。
(ii)については、研究分担者の道信剛志教授に複数のビルディングブロック分子を検討・提案頂いた。その中で、構造が比較的単純で低コストな分子を選定し、それを原料としたCOF創製に着手している。
また、量子化学計算を活用して、共有結合生成前後のギブスエネルギーを比較することにより、COFの形成可能性を予測しうる方法論を構築し、これは次年度以降に向けたCOF生成の可否予測を与える重要成果となっている。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
当該年度の交付申請書に記載した項目を順調に進展できている。
具体的に、上の「研究実績の概要」に記載したように、交付申請書の「本年度の研究実施計画」に記載した項目(i)は、無事構造決定とCO2吸脱着特性の解明に至り、現在、投稿論文及び特許出願の準備を進めており、成果創出につながっている。特にX線構造解析を専門とする研究分担者の植草秀裕准教授の貢献は大きなものとなっている。項目(ii)は、有機化学者である研究分担者の道信剛志教授からの助言と議論が大きく、一部は道信教授の実験室を使用させて頂きながら実験を行った。また、研究代表者及びその研究室メンバーが独自に調査し、見出したビルディングブロック分子も検討を始めており、次年度以降に向けて順調な研究の開始が行えている。
本課題の実験環境整備については、本課題の効果的な遂行に必要となる走査型電子顕微鏡（SEM）の導入を計画通り完了し、研究効率が向上している。
一方、初年度を終えた段階で、依然COF創製の側面、特にCO2吸脱着性能の向上が主な課題となっている。
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| 今後の研究の推進方策 |
上記の項目(i)については、引き続きビルディングブロック分子の探索を続け、より高性能なCO2吸脱着特性を示すCOFの創製の努力を継続する。引き続き、研究代表者とは異なる分野の研究分担者と連携を行い、本課題を推進してゆく。
上の「現在までの進捗状況」に記載したように、量子化学計算がCOFの共有結合形成の可否予測に有用であることが見いだされたため、今後、量子化学計算を積極的にCOFの設計と探索に活用しながら研究を推進してゆく計画である。
一方、上の「現在までの進捗状況」に記載したように、初年度を終えた段階で、依然COF創製の側面、特にCO2吸脱着性能の向上が主な課題となっているため、本課題応募時の研究計画調書に記載したCO2の貫流実験装置の構築開始は、研究計画調書に記載した想定時期より遅らせることとする。この点への対応として、引き続きCOF材料の創製と評価、及び、骨格構造-CO2吸脱着特性間の相関解明の研究に集中し、今後なるべく早期に貫流実験によるシステム特性評価を開始できるよう研究を推進してゆく計画である。
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