次元性を超えたナノカーボン材料の制御合成と応用研究

点击翻译按钮获取中文摘要

近年、地球温暖化や環境汚染のために世界的に水資源の不足に対する懸念が強まっており、海水や様々な汚染水の浄化が非常に重要な社会的な課題になりつつある。グラフェンをはじめとする二次元物質は表面積が極めて大きいことから、本分野への応用が期待されている。これまでの研究から酸化グラフェンや二硫化モリブデンなどの二次元物質からなる膜が、水の浄化に有望であることが報告されているが、二次元物質の分離膜の作製や制御が難しく、十分な特性が得られていなかった。本研究では、分離膜を専門とする外国人特別研究員との共同研究により、二次元物質に基づく二次元分離膜を創出し、水の浄化を中心とする環境分野に応用していくことを目的として研究を行った。様々な予備検討の後、六方晶窒化ホウ素（h-BN）の積層膜を水の浄化に応用することに取り組んだ。絶縁性のh-BNは、化学的に安定で、グラフェンと異なり高温でも酸化されることなく、さらに極性を有していることから分子の吸着にも適しているからである。本研究において超音波分散装置、遠心分離器、そしてろ過装置を整え、h-BNの剥離膜からなる分離膜を作製した。このh-BNを有機溶媒中に分散し、ろ過することで厚さが0.35～5ミクロンの厚さのh-BNのフィルターを得ることができた。そしてこれらの膜の分離特性を、メチルオレンジやビスフェノールなど３種の汚染分子を用いて検討した結果、h-BNは、高い水の透過性を有し、かつ汚染分子に対して良好な吸着特性を示すことに成功した。また、pHが低い水溶液で、より高い分離能を示すことも見出した。BN結合の極性や水素結合の影響、そしてh-BNの剥離片の高い表面積とエッジの存在によるものと考えられる。このh-BN分離膜は、酸やアルカリ溶液の中でも劣化がほとんどなく、環境利用に適した分離膜として極めて有望であることを示すことができた。