ナノ多孔性錯体の粒径・形状制御と表面特性解析に立脚した特異的吸着挙動の精密制御

基于纳米多孔复合物的粒径/形状控制和表面性质分析精确控制特定吸附行为

• 批准号: 15J08218
• 负责人: 大﨑 修司
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J08218/
• 关键词: MOF; 多孔性配位高分子; 多孔性金属錯体; 古典的核形成理論; 粒子サイズ制御; 分子シミュレーション; 自由エネルギー解析; ゲート吸着; ZIF-8; マイクロリアクター; 微粒子合成; 粒径制御; 形状制御

本研究の目的は，ソフト多孔性錯体(SPC)が示す構造転移挙動を伴う特異な吸着挙動(ゲート吸着)を粒子サイズにより制御し，所望の条件でのゲート吸着を示す材料設計への展開を図るものである。本年度の年次計画では「SPCの粒子サイズと構造転移挙動およびゲート吸着挙動との関係性解明」および「分子シミュレーションを用いたナノSPCが示すゲート吸着挙動の理解」であった。そこで，SPCの一種であるZeolitic imidazolate framework-8(ZIF-8)を対象に検討を行った。その成果として，1)古典的核生成理論に基づく粒子サイズ予測，2)自由エネルギー解析によるSPCsが示すゲート吸着の粒径依存性の定量的予測，が挙げられる。1)反応条件から粒子サイズ・形状の予測に向けて，古典的核生成理論と二次元核形成機構に基づく検討を行った。古典的核生成理論により生成する核の個数濃度を算出し，実験によって得られる粒子の個数濃度と比較することでZIF-8の表面エネルギーと溶解度積を決定し，濃度条件から粒子サイズを予測する式を得た。2)ZIF-8粒子表面の存在が吸着挙動に及ぼす影響を検討するために，気相領域を設定したシミュレーションセル (ナノ粒子モデル) を構築し，吸着シミュレーションおよび自由エネルギー解析を行った。吸着シミュレーション結果から，バルク結晶部と吸着挙動が異なる粒子表面近傍部の幅は1.0 nmであり，この幅は粒子幅に依存しないことを見出した。ナノ粒子モデルの粒子幅を変化させたところ，粒子幅が減少するに伴い表面近傍部の影響が顕著になることを確認した。以上の結果を踏まえ，サブミクロンサイズのZIF-8粒子の吸着量を推算するモデルを構築した。推算した吸着等温線を用いた自由エネルギー解析から求めたゲート吸着・脱着圧は，実験結果と概ね良好に一致することを確認した。

The purpose of this study is to demonstrate the structural mobility of porous complexes (SPC) and the specific sorption behavior of SPC particles. This year's annual plan includes "Explanation of the relationship between particle support and structural movement of SPC and the need for sorption" and "Application of molecular mechanisms to SPC to demonstrate the understanding of the need for sorption." SPC is a Zeolitic imidazole framework-8(ZIF-8). The results are as follows: 1) Prediction of particle size dependence based on classical nuclear generation theory; 2) Quantitative prediction of particle size dependence based on SPCs for free nuclear generation analysis. 1)The classical theory of nucleus formation and the basic theory of quadratic nucleus formation are discussed. The classical theory of nucleus formation determines the number concentration of nuclei formed and the number concentration of particles obtained by comparison. The solubility product of ZIF-8's surface is determined by the equation of particle concentration prediction. 2)ZIF-8 particle surface existence for adsorption and the impact of the study, phase domain to set up the structure of the adsorption and free production analysis. The adsorption results show that the amplitude near the particle surface is 1.0 nm, which depends on the particle amplitude. The effect of particle amplitude reduction on the near surface of particles is confirmed. The above results show that the adsorption capacity of ZIF-8 particles can be calculated by using the model. The calculation of adsorption isotherm is based on the analysis of adsorption isotherm and desorption isotherm.

项目成果

Characterization of Mixing Performance in a Microreactor and its Application to the Synthesis of Porous Coordination Polymer Particles

• DOI: 10.4164/sptj.52.382
• 发表时间: 2015-07
• 期刊: Journal of The Society of Powder Technology, Japan
• 作者: Satoshi Watanabe;Shuji Ohsaki;Akiko Fukuta;T. Hanafusa;K. Takada;Hideki Tanaka;T. Maki;K. Mae;M. Miyahara

ZIF-8微粒子の形成機構に関する熱力学的解析

ZIF-8微粒形成机制的热力学分析

• 发表时间: 2016
• 作者: 大崎 修司;藤原 篤;渡邉 哲;前 一廣;宮原 稔
• 通讯作者: 宮原 稔

多孔性錯体ZIF-8の形成機構に関する熱力学的解析

多孔复合物ZIF-8形成机理的热力学分析

• 发表时间: 2016
• 作者: Shuji Ohsaki;Satoshi Watanabe;Hideki Tanaka;Kazuhiro Mae;and Minoru T. Miyahara;大崎 修司，藤原 篤史，渡邉 哲，宮原 稔
• 通讯作者: 大崎 修司，藤原 篤史，渡邉 哲，宮原 稔

ZIF-8粒子のフロー式精密合成と分子シミュレーションモデリング

ZIF-8颗粒的精确流动合成及分子模拟建模

• 发表时间: 2017
• 作者: 大崎 修司;渡邉 哲;田中 秀樹;前 一廣;宮原 稔
• 通讯作者: 宮原 稔

多孔性錯体ZIF-8が示す吸着誘起構造転移現象の粒径・形状依存性

多孔复合物 ZIF-8 表现出吸附诱导结构转变现象的粒径和形状依赖性

• 发表时间: 2015
• 作者: Shuji Ohsaki;Kento Takada;Satoshi Watanabe;Kazuhiro Mae;and Minoru T. Miyahara;大崎修司，渡邉 哲，田中秀樹，前 一廣，宮原 稔
• 通讯作者: 大崎修司，渡邉 哲，田中秀樹，前 一廣，宮原 稔