中空コアを有する星型高分子錯体の三次元的集積化による物質分離/変換メンブレン

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16K17959
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 細野 暢彦 京都大学, 高等研究院, 特定助教 (00612160)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 高分子材料 / メンブレン / 錯体化学 / 多孔性材料 / ガス分離膜

研究実績の概要

本研究では、中空コアを有する新規星型高分子錯体「高分子グラフトMOP」を生み出し、その大面積かつ三次元的配列により、物質透過・分離・変換を実現する高機能メンブレンの開発を目指すものである。
平成28年度の成果：MOP表面よりリビング重合を開始する新手法を開発し、MOPを中心として合計24本の高分子が分岐した高分子グラフトMOPの合成に成功した（Divergent法と名付けた）。さらに別手法の開拓も進めた結果、MOPの自己組織化的形成反応を利用するという逆転のアプローチにより、全く同様の高分子グラフトMOPを非常に簡単に合成する手法を開発した（Convergent法と名付けた。後者の方法は、高分子と金属イオンを溶液中で混ぜるだけで、任意の構造の高分子グラフトMOPを構築できる点で、大量合成に非常に有用な手法である。Convergent法はグラフトさせる高分子を選ばないため、あらゆる高分子をMOP表面より分岐させることが可能となった。
平成29年度の成果：まずは二酸化炭素/窒素の分離性能をベンチマークとして評価するため、メンブレン作成に適した高分子を選出し、その高分子をグラフトさせた高分子グラフトMOPを上記手法により合成した。その物質からメンブレンを作成し、二酸化炭素/窒素の分離試験を行ったところ、高分子だけからなる参照用メンブレンと比較して、高分子グラフトMOPのメンブレンは10倍の二酸化炭素選択性を示した。さらに、本高分子グラフトMOPを他の既存ガス分離膜と混合することで、その分離性能を向上させることにも成功した。続けて変換機能についても検討するため、MOPコア内部への触媒担持を試みた。
本研究では、中空コアを有する星型高分子錯体「高分子グラフトMOP」を利用して、高機能のガス分離膜が合成可能であることを示し、物質変換機能についても触媒担持手法の可能性を探った。

研究成果

• [国際共同研究] 南京工業大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 南京工業大学
• [雑誌論文] Finely Controlled Stepwise Engineering of Pore Environments and Mechanistic Elucidation to a Water-Stable, Flexible 2D Porous Coordination Polymers (2018)
  • 著者名/発表者名: Haijun Wang, Haifei Cao, Jia-jia Zheng, Simon Mathew, Nobuhiko Hosono, Bihang Zhou, Hongliang Lyu, Shinpei Kusaka, Wanqin Jin, Susumu Kitagawa, Jingui Duan
  • 雑誌名: Chem. Eur. J. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1002/chem.201705858
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Reversible Switching Between Highly Porous and Non-Porous Phases of an Interpenetrated Diamondoid Coordination Network that Exhibits Gate-Opening at Methane Storage Pressures (2018)
  • 著者名/発表者名: Qing-Yuan Yang, Prem Lama, Susan Sen, Matteo Lusi, Kai-Jie Chen, Wen-Yang Gao, Mohana Shivanna, Tony Pham, Nobuhiko Hosono, Shinpei Kusaka, John J. Perry IV, Shengqian Ma, Brian Space, Leonard J. Barbour, Susumu Kitagawa, Michael J. Zaworotko
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1002/anie.201800820
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient CO2 Removal for Ultra-Pure CO Production by Two Hybrid Ultramicroporous Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Kai-Jie Chen, Qing-Yuan Yang, Susan Sen, David G. Madden, Amrit Kumar, Tony Pham, Katherine A. Forrest, Nobuhiko Hosono, Brian Space, Susumu Kitagawa, Michael J. Zaworotko
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 57 ページ: 3332-3336
  • DOI: 10.1002/anie.201706090
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Cooperative Bond Scission in a Soft Porous Crystal Enables Discriminatory Gate Opening for Ethylene over Ethane (2017)
  • 著者名/発表者名: Susan Sen, Nobuhiko Hosono, Jia-Jia Zheng, Shinpei Kusaka, Ryotaro Matsuda, Shigeyoshi Sakaki, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 139 ページ: 18313-18321
  • DOI: 10.1021/jacs.7b10110
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fine-Tuning Optimal Porous Coordination Polymers by Functional Alkyl Groups for CH4 Purification (2017)
  • 著者名/発表者名: Fujun Cheng, Qianqian Li, Jingui Duan, Nobuhiko Hosono, Shin-ichiro Noro, Rajamani Krishna, Hongliang Lyu, Shinpei Kusaka, Wanqin Jin, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A 巻: 5 ページ: 17874-17880
  • DOI: 10.1039/C7TA02760E
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anisotropic Coordination Star Polymers Realized by Self-Sorting Core Modulation (2017)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Hosono, Kenichiro Omoto, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: Chem. Commun. 巻: 53 ページ: 8180-8183
  • DOI: 10.1039/C7CC04381C
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a Porous Coordination Polymer with a High Gas Capacity Using a Thiophene-Based Bent Tetracarboxylate Ligand (2017)
  • 著者名/発表者名: Fei Wang, Shinpei Kusaka, Yuh Hijikata, Nobuhiko Hosono, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 9 ページ: 33455-33460
  • DOI: 10.1021/acsami.7b01568
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Allosteric Gate Effect in a Soft Coordination Crystal Enables Discriminatory Sorption of Ethylene over Ethane (2018)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Hosono, Susan Sen, Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 日本化学会第98回春季年会
• [学会発表] Self-Organization Behavior of Asymmetrically exo-Functionalized Coordination Cage: Construction of Processable Porous Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenichiro Omoto, Nobuhiko Hosono, Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 日本化学会第98回春季年会
• [学会発表] Polymer-Grafted Coordination Nanocages: Towards Processable Porous Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Hosono
  • 学会等名: iCeMS-VISTEC Joint Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Metal-Organic Cage as a Versatile Core for Coordination Star Polymers (2017)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Hosono, Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 第66回高分子学会年次大会
• [学会発表] Direct Observation of Porous Coordination Crystal Surface: Revealing the Structure and Dynamic Response (2017)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Hosono, Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 錯体化学会第67回討論会
• [学会発表] Dynamic Response of Soft Porous Crystal Surface Monitored by in-situ Atomic Force Microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Hosono, Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 2nd European Conference on Metal Organic Frameworks and Porous Polymers
  • 国際学会
• [学会発表] Separation and purification of light hydrocarbons mixtures using gas-specific gate-opening discriminatory effects (2017)
  • 著者名/発表者名: Christophe Lavenn, Mickaele Bonneau, Patrick Ginet, Francoise Barbier, Nobuhiko Hosono, Shinpei Kusaka, Ryotaro Matsuda, Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 2nd European Conference on Metal Organic Frameworks and Porous Polymers
  • 国際学会
• [学会発表] Design of Porous Coordination Polymers for Gas Separation Technologies (2017)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Hosono
  • 学会等名: 2017 International Forum of International Collaboration and Industrialization on Carbon Reduction and Clean Coal Technology
  • 国際学会 / 招待講演