| 研究課題/領域番号 |
18H02072
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
細野 暢彦 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (00612160)
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| 研究分担者 |
山田 秀尚 公益財団法人地球環境産業技術研究機構, その他部局等, 主任研究員 (60446408)
梶原 隆史 京都大学, 高等研究院, 研究員 (80422799)
日下 心平 名古屋大学, 工学研究科, 特任助教 (80749995)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | ガス分離膜 / 多孔性配位高分子 / 金属有機構造体 / 多孔性金属錯体 / 高分子複合体 / 物質変換 / 光触媒 |
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| 研究実績の概要 |
21世紀の高機能膜材料開発には、既存材料の改良・改善ではなく、本質的な膜機能を高めていくための全く新しい方法論が必要である。本研究課題では、錯体化学・分子集合体化学・高分子化学を駆使し、膜材料を分子レベルから総合的にデザインすることで、気体を「分離」し、同時に光エネルギーを利用して「変換」する新しい高分子膜材料を造り出す方法論を開発するものである。分離変換機能団として、「選択的ガス捕集性」かつ「触媒機能」を併せ持つ多孔性配位高分子(MOF)および中空有機金属錯体(MOC)を利用する。これらMOF/MOCを、生体膜を模倣するような「分子変換チャネル」として見立て、これまでにないナノ空間機能を有する膜材料として完成させることを目的としている。
本研究では、それぞれの分担研究者が、A：MOFおよびMOC開発および膜との融合化手法開発、B：MOFのサイズ及び形態制御、C：MOFを反応場とした物質変換触媒開発の３つのテーマを進め、それぞれの知見・成果を統合してゆく形で進めており、本年度は特にAについて高い成果が得られた。
テーマAに関する研究を進める上で、機能団として膜へ導入するMOF自体のガス分離・認識機能の強化は不可欠である。これまで、MOFにおけるガス分離研究においては、吸着ガス分子とMOFとの親和性を調節する方法で機能向上が図られてきた。一方で、MOF内部のガスの拡散速度の制御による速度論的なガス分子認識機能の開拓は大きく遅れていた。我々は、MOF内へ熱によって開閉するゲート（扉）機構を導入したMOFを新たに設計・合成し、ガス分子の拡散制御に挑んだ。得られたMOFにより、ガス拡散速度の制御が高精度に達成可能となり、あらゆるガス種に対して高選択率のガス分離が可能となるばかりでなく、常温常圧におけるガス貯蔵も可能であることがわかり、大きな発見につながった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究課題は概ね順調に進行している。本年度はテーマAにおけるMOF開発において大きな発見と成果があった。本成果は、米国Science誌に掲載された。一方で、MOCと高分子複合化についても成果が得られた。MOCと高分子を分子レベルで複合化させ、均一な膜とする手法を開発し、同手法で得られた膜が有効な二酸化炭素分離機能を示すことを明らかにすることが出来た。本成果についても報文で報告している。膜分離評価装置の不具合により、一部の実験の順序を変更する必要が強いられたが、現在は問題なく当初の計画を進めることができている。MOFを反応場として用いた触媒開発を担うテーマCについても興味深い発見が得られており、今後深く探求してゆく。それぞれのテーマで開発したMOF、MOCを高分子膜中へ分子レベルの均一性を保ったまま複合化させる手法については既に上記の報文で報告しているが、均一性の向上や用いる高分子の選択、ガス透過性能など、未だ克服するべき点は多い。今後は、テーマBのMOFサイズ制御等の技術開拓を進め、融合させることで性能向上を図る予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究課題の提案する高機能膜材料を合成するためには、MOFおよびMOCがガス透過性の高い高分子と均一に複合化される必要がある。結晶性の高いMOF、MOCにおいては未だ複合化が均一に行えず、得られる膜の質も低いものが多い。現状のこの問題点を克服するため、今後はテーマAとBの密接な連携により、膜性能の向上を目指す。また、テーマCでは既に得られている興味深い発見を足がかりにし、高機能光触媒の開発を続ける予定である。テーマCで得られたMOF触媒を、上記テーマA,Bの知見を利用し膜へと複合化させることで、最終的な膜材料の合成へと進める予定である。
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