Development of Novel Crystal Oriented Nano-porous WO3 Membrane for Green Hydrogen Purification

水素は、カーボンニュートラルの実現にとって重要な次世代を担うクリーンエネルギー資源である。本研究は、c面にナノ細孔をもつ六方晶WO3(ナノポーラスhWO3)の結晶配向した緻密膜を形成し、水分解から得たグリーン水素を分離・精製するナノポーラスhWO3分離膜を開発するとともに、この新規膜のガス透過・分離メカニズムを解明することを目的としている。初年度は主に原料組成、合成環境の影響を調査し、ナノポーラスhWO3の配向した緻密膜形成に必要なa軸方向に結晶成長が促進され、かつチューブ状多孔質支持体内壁に適用できる作製条件を精査した。原料溶液中のW濃度を調整することで内壁にナノポーラスhWO3が直接合成できることを見出したが、その一方で、原料溶液中のW濃度を希薄化して酢酸/W比を高くする方がa軸方向の成長が促進されること、W濃度を希薄化すると膜全体としては原料の供給不足によって緻密化が完了しないことが確認された。そこで、チューブ状多孔質支持体上へのナノポーラスhWO3分離膜の緻密膜合成対策として多段回合成について検討をを行った。原料溶液中のW濃度を調整しながら合成を繰り返し行うことで、細孔より大きいSF6のガスの透過量が大幅に低下し、膜が緻密化できることが確認された。更に、大きさの異なる単成分ガスの透過試験を実施したところ、小さい分子であるHeとH2の透過が高い一方で、CO2やN2、SF6等のガスの透過が低くなっていることが確認され、H2とCO2の分子の間の大きさで透過量の大幅な低下(カットオフ)が発生することが確認された。開発した膜は欠陥がまだ一定量存在するものの分子を大きさで分けることのできる膜となること、およびその分離機構が分子ふるいであることが示唆された。次年度は、更なる欠陥対策や混合ガスでの特性を調査し、膜のポテンシャルとその分離メカニズムの解明を進めていく。

水素は、カーボンニュートラルの実現にとって重要な次世代を担うクリーンエネルギー資源である。本研究は、c面にナノ細孔をもつ六方晶WO3(ナノポーラスhWO3)の結晶配向した緻密膜を形成し、水分解から得たグリーン水素を分離・精製するナノポーラスhWO3分離膜を開発するとともに、この新規膜のガス透過・分離メカニズムを解明することを目的としている。初年度は主に原料組成、合成環境の影響を調査し、ナノポーラスhWO3の配向した緻密膜形成に必要なa軸方向に結晶成長が促進され、かつチューブ状多孔質支持体内壁に適用できる作製条件を精査した。原料溶液中のW濃度を調整することで内壁にナノポーラスhWO3が直接合成できることを見出したが、その一方で、原料溶液中のW濃度を希薄化して酢酸/W比を高くする方がa軸方向の成長が促進されること、W濃度を希薄化すると膜全体としては原料の供給不足によって緻密化が完了しないことが確認された。そこで、チューブ状多孔質支持体上へのナノポーラスhWO3分離膜の緻密膜合成対策として多段回合成について検討をを行った。原料溶液中のW濃度を調整しながら合成を繰り返し行うことで、細孔より大きいSF6のガスの透過量が大幅に低下し、膜が緻密化できることが確認された。更に、大きさの異なる単成分ガスの透過試験を実施したところ、小さい分子であるHeとH2の透過が高い一方で、CO2やN2、SF6等のガスの透過が低くなっていることが確認され、H2とCO2の分子の間の大きさで透過量の大幅な低下(カットオフ)が発生することが確認された。開発した膜は欠陥がまだ一定量存在するものの分子を大きさで分けることのできる膜となること、およびその分離機構が分子ふるいであることが示唆された。次年度は、更なる欠陥対策や混合ガスでの特性を調査し、膜のポテンシャルとその分離メカニズムの解明を進めていく。