ナノレベルで厚さ制御した自立型COF膜作製手法を開発――CO2とN2の分離に応用 北大と東邦大

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(左)直接観察されたCOFの微細構造 (右)コンピューターシミュレーションの結果

北海道大学は2022年2月14日、東邦大学と共同で、ナノメートルレベルで厚さを制御した自立型COF(共有結合性有機構造体)膜の作製方法を開発したと発表した。

COFは分子レベルの微細孔を持つため、ガス分離や触媒、電極材料などへの応用が期待されている。さらに、前駆体の分子をデザインすることで、作製するCOF膜の性能や機能を制御することもできる。

従来主流であった溶液系の合成では粉体のCOFしか得られず、ガス分離に応用するためには改めて膜状にする必要があった。しかし、その膜化する過程でCOF本来の機能が低下するという課題があった。

今回の研究では新たに開発した交互蒸着装置を使用して作製した。前駆体のTAPB(1、3、5-トリス-(4アミノフェニル)ベンゼン)と NTCDA(ナフタレン-1、4、5、8-テトラカルボン酸二無水物)の蒸着量をオングストローム単位で制御しながら、交互に25~100回蒸着することで厚さ100~200nmのCOF膜を作製。さらに、熱処理によってイミド結合形成反応を進行させることで強固なネットワーク構造を形成した。

開発した交互蒸着法の模式図

電子顕微鏡を用いて微細構造を観察し、COF特有の微細孔とネットワーク構造を確認。さらに塩酸やTHF(テトラヒドロフラン)などの腐食性や溶解性の高い液体への耐性も高いことが確認できた。また、基板の塩化カルシウムから剥離して別の基板などに移し替えることができるほどの機械的強度を有していることも分かった。

作製したCOF膜はナノレベルの微微細孔を数多く有するため、混合ガスを分離することができる。本COF膜を使用してCO2とN2の透過性を評価したところ、CO2の透過性がN2の4倍に達し、高い選択性があることも判明した。この選択性の高さがゲート効果ではなく、COF膜の微細孔部分に存在するカルボニル基とCO2とN2の間に働く分子間力によるものであることを量子化学計算を用いて解明した。

今後合成法をさらに精密化することで、より高機能なCOF膜の作製が期待できるという。

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