ゼオライトの分子ふるい過程のダイナミックスに関する分子動力学的研究

1993 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 05750695
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 久保 百司 東北大学, 工学部, 助手 (90241538)
• キーワード: ゼオライト / 分子ふるい / 分子動力学法 / コンピュータグラフィックス / 空気分離 / 二酸化炭素高温分離

研究概要

ゼオライトのミクロ細孔がもたらす分子ふるい効果および触媒反応における形状選択性は、実用的にもまた基礎的にも最も興味深い課題の一つである。しかし、その分子ふるい機構の詳細はいまだ解明されていない。そこで、本研究では分子動力学法(MD)法とコンピュータグラフィックスを活用することにより、ゼオライトのミクロ細孔構造がもたらす分子ふるい効果の機構を詳細に解明した。
空気分離としてよく知られるNaA型ゼオライトのN_2とO_2の分子ふるい過程について検討を行った。高温においてはNaA型ゼオライト中でN_2とO_2は分離しなかったが、低温ではN_2とO_2が分離され、MD法によりNaA型ゼオライトの空気分離を再現できることが明らかになった。さらに、NaA型ゼオライト中の交換イオンのモ-ビリティーがN_2とO_2の分離に大きな役割を果していることも明らかとなった。
地球温暖化防止策としての二酸化炭素高温分離膜の開発を目的とし、A型ゼオライト細孔中におけるCO_2とN_2の拡散・分離過程について検討を行った。その結果、A型ゼオライトの交換イオン変化させることによってCO_2とN_2の拡散・分離過程は大きく異なり、さらに適切な交換イオンを選択することにより、高温においてもCO_2とN_2が効率よく分離できることが明らかになった。
ZSM-5型シリカライトは、疎水性を持つゼオライトであり、この性質を利用した有機分子と水分子の分離が期待される。本研究ではMD法により、水分子はZSM-5の細孔内に進入しにくいのに対し、メタノールは容易に細孔内に進入する過程を再現することにも成功した。このようにMD法はゼオライトの分子ふるい機構の原子レベルでの解明に非常に有効であり、今後さらに多様な課題への適用が期待される。

研究成果

• [文献書誌] A.Miyamoto,M.Kubo et al.: "Dynamic roles of the exchanged cations in the Zeolitic funetions as dewioinstrated by molecular dynamics and Computer graphics" Proceedings of the 10th International Zeolite Conference. (印刷中).
• [文献書誌] A.Miyamoto,M.Kubo et al.: "Structure and dynamics of exchanged cations in zeolites as investigated by molecular dynamics and computer graphics" Proceedings of Acid-Bace Catalyst II. (印刷中).
• [文献書誌] A.Miyamoto,M.Kubo et al.: "Computer-aided design of active catalysts for the removal of nitric oxide" Catalysis Today. (印刷中).
• [文献書誌] A.Miyamoto,M.Kubo et al.: "stmcture and dynamics of ion-exchanged zeolites as investigated by molecular dynamics and computer graphics" Proceedings of International symposium on zeolite and Microporous crystals. (印刷中).
• [文献書誌] A.Miyamoto and M.Kubo: "Application of computer graphics and molecular dynamics to the investigation of reterogeneous catalysis" Sekiyu Gakkaishi. 36. 282-290 (1993)
• [文献書誌] 高羽洋充-久保百司edt.: "無機分離膜のコンピュータ支援分子設計" 化学工学シンポジウムシリーズ「膜工学の新しい挑戦-1993」. (印刷中).