フラーレン

Aug 08, 2023

細孔構造の設計性と制御性が高い吸湿性多孔質グラフェンをボトムアッププロセスで作製

千葉大学

画像: フラーレン充填率 25 ± 8% のフラーレン柱状多孔質グラフェンは均一なナノ細孔を有し、相対湿度 40% で最大の水蒸気吸着能力を有し、気体および液体の精製および濃縮プロセスでの応用が可能です。もっと見る

クレジット: 千葉大学 大場友則

分離プロセスは、世界のエネルギー消費量の 10 ～ 15% を占める水の浄化、汚染物質の除去、ヒートポンプの際のターゲット分子の精製と濃縮に不可欠です。 分離プロセスのエネルギー効率を高めるには、多孔質材料の設計を改善する必要があります。 これにより、エネルギーコストを約 40 ～ 70% 大幅に削減できる可能性があります。 分離性能を向上させる主なアプローチは、細孔構造を精密に制御することです。この点において、多孔質炭素材料は 1 種類の原子のみで構成されており、分離プロセスによく使用されているため、明確な利点があります。 細孔容積と表面積が大きく、ガス分離、水の浄化、貯蔵において高い性能を発揮します。 しかし、細孔構造は一般に不均一性が高く、設計性が低いです。 これはさまざまな課題を引き起こし、炭素材料の分離や保管への適用性を制限します。今回、千葉大学の大場友典准教授率いる日本の研究者チームと、修士課程の原口快氏と岩上壮悟氏が、ナノカーボンを含む炭素複合体であるフラーレン柱状多孔質グラフェン（FPPG）を、高度に設計可能で制御可能な細孔構造を備えたボトムアップアプローチを使用して作製しました。 彼らは、この新規な吸水性材料の合成、特性評価、および特性について、2023 年 6 月 16 日にオンラインで公開され、2023 年 6 月 29 日に The Journal of Physical Chemistry C の第 127 巻、第 25 号に掲載された最近の論文で詳しく説明しています。研究者らは、グラフェンにフラーレン溶液を添加することで、フラーレン-グラフェン-フラーレンサンドイッチ構造のFPPGを作製した。 彼らはフラーレンとグラフェンの組成物を軽くコーティングし、それを 1 ～ 10 回積層しました。 合成における新しい調整機能により、多孔質グラフェン内のフラーレン充填の正確な制御が可能になりました。異なるフラーレン充填率を持つ FPPG 構造を開発した後、研究者らは実験手法とグランドカノニカル モンテカルロ シミュレーションを使用して、その水蒸気吸着特性を調査しました。 彼らは、4% のフラーレンを充填したグラフェンが水蒸気をわずかに吸着するだけであることを発見しました。 フラーレンの充填量を5%に増やすと、層状多孔質グラフェンのナノ細孔が崩壊するため、吸着量はさらに減少した。 しかし、充填率を 25% 近くまで高めると、驚くべき結果が得られました。 「25 ± 8% のフラーレンを含む FPPG は、大きな均一なナノ細孔の生成により、相対湿度 40% で最大の水蒸気吸着能力を示しました。」と大場博士は強調します。さらに、FPPG のフラーレン充填率を最大 50% まで高め、吸着能力が低下します。 モンテカルロシミュレーションはこれらの観察と一致し、過剰なフラーレン含有量によってナノ細孔が減少し、その結果、水クラスターの形成が妨げられたことが明らかになりました。気体と液体の精製および濃縮プロセスのパフォーマンスを大幅に向上させる、そのような新しい材料がさらに登場するでしょう」と楽観的な大場博士は推測します。 「これにより、分離プロセスを介して製造される多くの製品のコストが大幅に削減されるでしょう。」 FPPG などの新しい多孔質炭素を組み合わせると、貯蔵および精製用途に革命を起こし、エネルギー効率とコスト効率が向上する可能性があります。