京大など、常温・常圧で二酸化炭素を多孔性材料へと変換する手法を開発

京都大学(京大)、JEOL RESONANCE、理化学研究所(理研)の3者は10月8日、常温・常圧下において二酸化炭素(CO₂)を有用な多孔性材料へと変換する新しい手法の開発に成功したと共同で発表した。

同成果は、京大高等研究院物質-細胞統合システム拠点(iCeMS)の堀毛悟史准教授、京大工学研究科の門田健太郎大学院生(研究当時)、JEOL RESONANCEの西山裕介研究員(理研科技ハブ産連本部バトンゾーン研究推進プログラム理研-JEOL連携センターナノ結晶解析連携ユニットユニットリーダー兼任)、京大 iCeMSのDaniel Packwood講師らの共同研究チームによるもの。詳細は、米化学会が刊行する学術誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載された。

人間の社会活動で増加した大気中のCO₂は、多くの環境問題の原因の1つとして考えられている。もし、それを有用な材料や燃料として活用できれば、環境問題の解決や持続的な社会の実現が可能になると期待されている。しかし、これまでの研究の多くは、CO₂を有用な材料に変換する際に、高温・高圧下での反応や、高価な貴金属触媒の使用を必要とし、実用という点では課題があった。

そこで今回の研究においては、近年、大きな進展を見せ、エネルギー貯蔵からガス分離まで幅広い分野で活用されるようになってきた多孔性材料に着目。特に、金属イオンと有機分子からなるジャングルジムのような構造を持ち、90年代後半に発見されて以来、これまでに9万種類以上が開発され、一部は半導体ガス貯蔵用途などに用いられてきた多孔性金属錯体「PCP/MOF」に注目することにしたという。

これまでのPCP/MOFではCO₂を原料として作られたことはなかったというが、今回の研究では、「ピペラジン」と呼ばれる有機分子アミンと、応用性を考慮して安価かつ無毒な亜鉛イオン(Zn²⁺)を含む溶液中に、CO₂を吹き込むという1ステップで、80％以上の高い収率で合成できる手法を開発することに成功。反応は数分で完了し、得られるPCP/MOFは高い純度を持つという。また、アミンと金属イオンの組み合わせを工夫すれば、常温・常圧のCO₂をさまざまなPCP/MOFへ変換することが可能だともしている。

(左)常温・常圧のCO₂から作られるPCP/MOFの結晶構造。(右)ピペラジン(アミン)とCO₂より架橋性配位子が形成され、同時に亜鉛イオン(Zn²⁺)と反応し、PCP/MOFが形成される (出所:共同プレスリリースPDF)

こうしてできたPCP/MOFの詳細を調査したところ、CO₂がアミンと反応し、架橋性配位子として存在していることが確認されたほか、CO₂由来の架橋性配位子が金属イオンを連結することで高い周期性を有した均一な細孔が観察されたという。この細孔のサイズは、1nmで、その構造から重さあたり30％以上がCO₂からできていることが判明。また、理論計算にて得られたCO₂の状態は、常温での反応から得られたにもかかわらず、金属イオンとの強い相互作用により、安定的に構造中に取り込まれていることが示されたという。

この合成手法はさまざまな条件でも働くとのことで、例えば、一度の反応で9リットル(16g)分のCO₂を50gのPCP/MOF粉末へと変換し、固体として閉じ込めることが可能だとするほか、空気を用いてこの反応を試すと、空気中に存在する低濃度(0.04％)のCO₂とアミン・金属イオンが反応することも確認されたという。

さらに、合成したPCP/MOFの細孔中に多量のCO₂を貯蔵することも可能であることも確認。今回の研究では、常温において26気圧をかけた結果、材料1gにおいてCO₂が0.7g含有された高濃縮状態を実現したという。