自立する共有結合性有機構造体膜作製法の確立と二酸化炭素分離膜・還元触媒への応用

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本研究の目的は、1)申請者らが開発した交互蒸着重合法を用いたCOF膜の新規合成法を確立すること，および2)作製したCOF膜のCO2分離機能やCO2還元触媒機能を評価し，COF膜のCO2分離・有効利用への応用可能性を探求することである。本年度は1)について重点的に研究を行った。また，2)のうちCOF膜のCO2分離機能の評価についての検討を行った。COF膜の新規合成法の確立に関しては，当初の計画では，ナフタレンカルボン酸と，アミンを用いてCOF膜を作製する予定であったが，官能基修飾が困難であった点や，作製した膜の結晶性が低い点などの理由から，アルデヒドとアミンを用いたCOF膜の作製に変更した。原料や条件を検討した結果、アミンとアルデヒドを交互蒸着した後に、溶媒蒸気中でアニールを行うことで理想的な結晶構造を有するCOF膜が作製可能であることがX線回折および透過電子顕微鏡観察により明らかになった。また、芳香環の水素原子の一部をフッ素原子に置換したアルデヒドを原料に用いれば、より結晶性と大気安定性を向上できた。COF膜のCO2分離機能の評価に関しては，多孔質アルミナの支持体上にCO2分離機能層として100 nm程度のCOF膜を気相合成した試料を用いて検討を行った。上記の試料はCO2とN2の透過速度は高いが，分離性能はそれほど高くはなかった。そこで、COF膜にイオン液体を含侵したCOF-イオン液体複合膜を作製し、気体分離機能の評価を行った。この複合膜は，COF膜と比較して，CO2とN2の分離機能がおよそ7倍程度大きくなった。さらに，揮発性有機蒸気であるメチルエチルケトン(MEK)とN2の分離性能を測定した結果，100倍以上のMEK/N2分離能を示すことを見出した。この結果は、COF膜に気体分子のキャリアを固定できれば、高性能の気体分離膜が作製できる可能性を示す。