2018 Fiscal Year Annual Research Report
Search of quantum molecular sieve materials for development of high efficiency separation process of water isotope
| Project/Area Number |
17H03097
|
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
Principal Investigator |
田中 秀樹 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80376368)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 篤 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60533619)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 金属有機構造体 / In silicoスクリーニング |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
主に柔軟金属有機構造体(flexible MOF)の一種であるELM-31b(未公表)への水吸着における特異的な構造転移（ゲート吸着）挙動に着目し，その構造および転移メカニズムを明らかとするための検討を行った。
これまでに，ELM-31bのin situ XRPDパターン(SPring-8，BL02B2ビームライン)のRietveld解析によって，N2(77 K)，CH4(112 K)，CO2(195 K)の吸着構造と，事前の吸着ガス種に依存した異なるELM-31bのdegas構造を決定することに成功しており，現在，投稿準備を進めている。この一連の研究の中で，ELM-31bの水吸着構造を決定することができていないが，このELM-31bの水吸着については，多くの興味深い特性を見出すことができた。例えば，ELM-31bは高温多湿の環境下においても全く影響を受けず，極めて高い安定性を有しており，ゲート吸着によって急激な水吸着等温線の立ち上がりを示すことから，本研究課題において目的とする，水を作動媒体とする吸着ヒートポンプを応用した水同位体分離プロセスの実現が期待される。ここで，多くのMOFは水に対して不安定であると言われているが，このELM-31bの水に対する安定性は驚異的なものであり，その水吸着構造を精密決定し，かつ，その精密構造を用いた計算科学的検討によって，水安定性の起源を明らかとすることができるならば，新規MOFの合成・開発分野へのインパクトも大きいものと考えられる。そこで，本年度は，ELM-31bの水吸着構造を決定することを目的とし，SPring-8，BL02B2ビームラインにおいてin situ XRPD測定を行ったところ，良好な回折パターンを得ることができた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題において目的とする，水を作動媒体とする吸着ヒートポンプを応用した水同位体分離プロセスに適していると考えられる吸着材料（ELM-31b）を見出すことができた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
SPring-8において得られたXRPDパターンを用い，DFTによるエネルギー計算を援用したパターンフィッティング(いわゆるリバースモンテカルロ法)と，それによって得られた構造を初期構造とする最終的なRietveld解析を実施し，ELM-31bの水吸着構造を決定する。また，得られた構造データをベースとする，Feynmanの経路積分(PI)法を応用したDFT計算を実施することにより，ELM-31bに吸着したH2OをHDOに置換する際の自由エネルギー変化を計算する。本計算によってELM-31bの水分子同位体分離能を予測する。さらに，ELM-31bのD2O吸着実験を行うことで，ELM-31bの水同位体分離能の評価を行う。そして，以上の情報を水同位体分離に適した新規MOFのin silioスクリーニングに応用することを目指す。
|
