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グラフェンの細孔を使った分子分離技術はグラフェン厚が0.3 nmの厚さであるため、究極的に薄いシートを用いた分子分離になる。 これまで、化学蒸着法による金属メッシュへの直接的グラフェン合成を行うことで、グラフェン層数を制御した均一グラフェンの合成を行ってきた。 この技術により、欠陥のみられないグラフェンの合成に成功した。
このグラフェンを用い、水素、メタン、二酸化炭素ガスの分離にチャレンジした。 分離測定のために、質量分析計を真空ポンプ、マスフローコントローラー戸をステンレス配管によってつなぎ、グラフェンを通過する分子を直接観測できる装置を製作した。 その装置を用い、先に合成したグラフェンをサンプルセルにセットし、グラフェンの分子透過性を評価した。
その結果、水素の極めて高い透過性、選択性がみられた。 特に透過性では従来の分離膜と比べると数桁高い値となり、水素―二酸化炭素分離選択性では大まかに同じオーダーであるため、高速分離が可能となる技術である。 また、透過性では水素、メタン、二酸化炭素の順となった。 分子サイズの観点から予測される分子透過性は水素、二酸化炭素、メタンの順であり、実験結果とは異なる結果となった。 この現象を理解するために分子動力学シミュレーションを行ったところ、比較的遅いフローレートの場合に分子とグラフェンとの分子間相互作用によって、二酸化炭素は透過が阻害される現象がみられることが明らかとなった。 このことからグラフェン細孔のサイズのみならず、グラフェン―分子の相互作用に依存した分子透過性がみられることが明らかとなった。
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