アセチレンと二酸化炭素の混合物から、二酸化炭素を選択的に吸着する多孔性材料を開発 京都大学

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京都大学アイセムス(物質-細胞統合システム拠点)が2021年3月18日、中国同済大学と共同で、アセチレンと二酸化炭素の混合ガスから選択的に二酸化炭素を捕捉する材料の開発に成功したと発表した。

アセチレンガスは、合成樹脂、ゴム、繊維などの原料となることや、金属の切断/圧接などの金属加工の際の燃料に使われていることから、現代社会に欠かせない重要な化学原料の一つとなっている。アセチレンは工業的には主に、石油に含まれる成分を熱分解して得られる混合ガスから精製することで生産される。この混合ガスにはアセチレンのほか、さまざまな炭化水素ガスや二酸化炭素が含まれ、その精製プロセスには莫大なエネルギーが消費される。特にアセチレンと二酸化炭素は、その分子サイズや沸点などが同程度で性質が似ているため、分離することが難しい。

アセチレンは二酸化炭素よりも静電相互作用を起こしやすいので、従来の吸着剤ではアセチレンが二酸化炭素よりも優先的に吸着される。そのため、アセチレンガスから二酸化炭素を除去するには、アセチレンガスを吸着剤に捕捉してから回収するための数段階のプロセスが必要となる。しかし、もしアセチレンと二酸化炭素の混合物から二酸化炭素だけを吸着できる「逆転吸着」材料が開発されれば、アセチレンの精製プロセスを大幅に簡略化/低エネルギーコスト化できる。そこで研究グループは、アセチレンガスと二酸化炭素の混合ガスから二酸化炭素を優先的に吸着する新しい多孔性材料「多孔性金属錯体(Porous Coordination Polymer:PCP)」の開発を進めた。

PCPは有機分子と金属イオンをパーツとした繰り返し構造をもつ結晶性の物質で、中に無数の小さい穴が規則正しく整然と並ぶ。一般的な多孔性材料と異なり、細孔の構造を設計でき、有用な機能性を持たせられる。

研究チームは、コバルトイオンとジ(4‐ピリジル)グリコールと、2‐アミノテレフタル酸ないし2‐アミノイソフタル酸から、一次元状の細孔を無数に有する新しいPCPを合成した。これらの細孔の中では、アミノ酸が細孔の上下に位置する形で規則正しく並んでいる。研究の結果、導入したアミノ酸基が二酸化炭素とは親和的に相互作用する一方で、アセチレンの細孔中への導入を抑えるゲートのような役割を果たすことから、アセチレンと二酸化炭素の混合ガスから二酸化炭素を逆転吸着できることが分かった。実験したところ、50%の純度のアセチレンガス/二酸化炭素混合ガスを、開発した多孔性材料を詰めたカラムに通すだけで、99.5%以上のアセチレンに精製できることが実証できたという。

京都大学アイセムスは、これまで謎が多かったアセチレンと二酸化炭素の逆転吸着現象のメカニズムとその設計指針が解明されたことで、同様の性質を示すさまざまな素材の開発に道が開けたとしている。

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