2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of innovative CO2 capture nanomembranes by molecular designing the membrane surface
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20H02781
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
藤川 茂紀 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 教授 (60333332)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | CO2回収 / 気体分離 / ガス分離膜 / 自立ナノ膜 / 表面修飾 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、この高いCO2透過性を有する自立性ポリジメチルシロキサン（PDMS）ナノ膜表面にのみ、CO2親和性を有する高分子超薄層を導入し、高い透過性と選択性を持つCO2分離膜の創製を目的とする。研究初年度である本年度は、CO2選択性を有する高分子材料の探索を行った。特に高いCO2選択性を有すると知られているエチレングリコールユニットを有する高分子材料を中心に検討した。この材料探索を優先的かつ効率的に進めるため、選択層を導入するPDMSナノ膜表面を（ガス透過性は低下するものの）酸素プラズマ処理によって親水化処理を施した。CO2選択層材料を表面に薄層塗布するためには、PDMS表面の親水状態が重要となるが、親水化状況を詳細に調査した結果、酸素プラズマ処理後でも、時間とともにPDMS表面の疎水性が回復し、再現性良く、高分子材料の薄膜塗布化できないことがわかった。原因を詳細に調べたところ、酸素プラズマ処理を行った後でも、PDMS内部からPDMS前駆体（環状シロキサンオリゴマー）が揮発し、それが表面に再吸着することによって、PDMS表面が時間とともに疎水性を回復することが明らかとなった。これらと酸素プラズマ処理条件を最適化し、CO2選択性高分子を再現性良く、PDMSナノ膜表面に薄層塗布させることに成功した。この選択層は、厚みがわずか10nm程度でも、高いCO2選択性を示し、材料として有効であることが明らかとなった。またこの時、選択層部だけでなく、選択層とPDMS層の界面が、CO2選択性に影響を与えることが示唆された。これらはいずれも報文として成果発表を行っている。PDMS表面に展開する高分子の分子量とガラス転移温度が安定な被膜形成において重要な要因となることが明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
既知の手法を用いてPDMS表面を親水化することで、選択層の薄層塗布そのものを簡素化し、CO2選択材料を探索に注力した。当初は、PDMS表面の疎水性回復現象があったため、再現性のよい安定した結果を得ることが困難であった。この疎水性回復現象のメカニズムが明らかになり、またPDMS表面の特殊性質も把握できた。これらの結果を踏まえて、ガス透過性低下を誘起する表面の酸素プラズマ処理の代替案についても検討が進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
PDMSナノ膜表面がもつ特異な性質が理解でき、これらを踏まえた選択層の薄膜塗布化が可能となった。またほか材料についても探索を進めて、CO2選択層の候補となる、高分子材料や必要化学構造の候補についても、示唆的な結果が得られている。今後の材料選択と、その薄層塗布化についても、初期的なアプローチが確立しつつある。特に来年度は、ガス透過性低下を誘起する酸素プラズマ処理に依存しない、表面改質法探索から着手し、各種CO2選択材料の薄層塗布と気体選択性評価を進める。
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