Development of Thermal Management Technology for Adsorption Separation using Self-heat Absorbing MOFs

自吸热MOFs吸附分离热管理技术的开发

• 批准号: 19K15677
• 负责人: 伊藤 博光
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Toyohashi University of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-01 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19K15677/
• 关键词: 柔軟性集積型金属錯体; サーマルマネジメント; 吸着熱; ＣＯ２; ＭＯＦｓ; 柔軟性MOFs; 分子貯蔵; 分離; 熱吸収; 吸着; 吸着分離; 自己熱吸収; 拡散速度

本年度は，新型コロナウィルス・退職に伴い半月ほどの研究期間であった。昨年の研究の続きとして，①柔軟性MOFsの熱吸収機構の解明，②自己熱吸収するMOFsの合成・探索を試みた。項目①では，柔軟性MOFs:ZIF-8において，吸着に伴う発熱量が粒子径の減少に伴い低下することが微分吸着熱測定より明らかになった。VOCsのモデルとして，極性分子のエタノールおよび非極性分子のn-ヘキサンを用いて行った熱量測定の両者で，小さな粒子径のZIF-8が低い吸着熱を示す。これは粒子表面の結晶格子において隣接する格子が存在しないため，バルク結晶格子に比べ貯蔵する分子を安定する能力が低いことに由来すると考えられる。この予測に基づき算出した表面結晶相の厚みは，シミュレーションによって予測された結果と概ね一致し，表面結晶相が低い吸着熱を示す事を示唆している。またこの効果は，表面結晶格子を構成する2-メチルイミダゾールにも働き，バルク結晶と異なる分子運動性を示す事が予想され，表面結晶格子を形成する2-メチルイミダゾールの運動性がバルク結晶格子の場合と異なることを示唆している。項目②では，地球温暖化など多様な目的で分離が望まれるCO2分離を可能とする柔軟性MOFs:ZIF-7の吸着熱特性評価およびそのリガンドを一部ZIF-8の2-メチルイミダゾールに置換した新たなMOFs:ZIF-7/8の合成を試みた。ZIF-7では，急激にCO2を貯蔵する圧力範囲で，吸着熱が低下することを確認し，MOFsの構造変化により吸着熱が吸収されることが示唆された。またZIF-7/8では，ZIF-7同様の圧力範囲でZIF-7に比べ1.5倍以上の高いCO2貯蔵量を確認した。この結果は，部分的な構造置換により，集積型金属錯体の結晶格子に柔軟性が付与され，貯蔵空間が拡張したことを示唆している。

今年，由于19号辞职，研究期持续了大约半个月。继续进行去年的研究，我们试图1）阐明柔性MOF的热吸收机制，以及2）合成和搜索吸收自热的MOF。在项目1中，差分吸附热测量结果表明，在柔性MOF：ZIF-8中，由于粒径的减小而产生的热量降低。作为VOC的模型，具有小粒径的ZIF-8在使用乙醇，极性分子和非极性分子N-己烷进行的量热法中显示出低的吸附热。人们认为这是由于粒子表面的晶格中缺乏相邻的晶格，并且稳定储存的分子的能力小于块状晶体晶格的能力。基于该预测计算的表面晶相的厚度与模拟预测的结果大致一致，这表明表面晶体相表现出低吸附的热量。该作用还适用于构成表面晶体晶格的2-甲基咪唑，预计与大量晶体具有不同的分子迁移率，这表明形成表面晶体晶格的2-甲基咪唑的迁移率与大量晶体的迁移率不同。在项目2中，我们试图评估柔性MOFS：ZIF-7的吸附热性能，ZIF-7允许二氧化碳分离，这是为了进行各种目的（例如全球变暖）的，并合成新的MOFS：ZIF-7/8，其中配体从ZIF-8中部分替换为2-甲基咪唑唑。在ZIF-7中，已证实吸附热在突然储存的压力范围内降低，这表明吸附热被MOF的结构变化吸收。此外，ZIF-7/8证实，在同一压力范围内，二氧化碳的存储量是ZIF-7的1.5倍。该结果表明，部分结构取代为集成金属络合物的晶格具有灵活性，从而扩大了存储空间。

项目成果

粒子径に依存した ZIF-8 の VOCs 吸着熱挙動

ZIF-8 的 VOC 吸附热行为取决于粒径

• 发表时间: 2019
• 作者: 中谷 祐太;伊藤 博光;松本 明彦
• 通讯作者: 松本 明彦