乙炔氣體是作爲乙炔燃燒器和化學原料使用的重要物質，但壓縮至2個大氣壓力以上時存在爆炸的危險，因此一直在利用非常重的溶劑（氣瓶封裝）。並且在使用時會混入溶劑，導致乙炔純度降低，作爲化學原料使用時往往需要純化設備。
京都大學iCeMS（物質-細胞統合系統基地）的基地主任兼特別教授北川進與特定助教大竹研一等人組成的研究團隊與液化空氣集團（Air Liquide）合作，成功開發出了可以安全大量儲存和運輸高純度乙炔的多孔材料。大竹特定助教表示：「自然界中存在透過吸附改變結構的S型吸附機制，我們以此爲基礎設計了軟質PCP。此次我們還證實了，即使利用液化空氣集團製作的原型試驗機，也能以1.5個大氣壓力大量儲存乙炔。今後還打算將其應用於其他氣體。」相關内容已經發布在Nature Chemistry的網路版上。
圖1：典型剛性吸附劑和軟質多孔材料的吸附等溫線曲線和可用容量的比較（供圖：京都大學iCeMS）
在自然界中，作爲氣體儲存和運輸機制，血紅素具有吸附氧氣後改變結構的S型吸附特性，能有效地大量運送氣體。二氧化矽和沸石等典型吸附材料的吸附等溫線呈拋物線狀擧升，而軟質PCP具有在一定的壓力下吸附量急劇擧升的S型吸附等溫線，因此研究團隊認爲，如果能開發出在1～2個大氣壓力之間表現出吸附和解吸特性的S型吸附材料，就非常有希望作爲乙炔氣瓶的固體增容填料使用。
PCP是由有機分子和金屬離子組成的具有重複結構的結晶性多孔材料，内部有無數小孔整齊有序地排列。與沸石和活性碳等普通多孔材料不同，透過設計細孔結構，可以爲其賦予功能。
研究團隊此次以任意比例在鋅離子和4,4-聯吡啶中混合對苯二甲酸和2-胺基對苯二甲酸（或者2-硝基對苯二甲酸），合成了PCP，並系統地調查了其吸附特性。這種PCP具有由有機分子和金屬離子構成的攀爬架狀網路相互貫穿的結構，對乙炔表現出敞開的吸附特性。另外還發現，透過改變導入骨架的官能基的比例，可以廣泛地精確控制吸附和解吸壓力的範圍。
圖2：本研究開發的軟質多孔吸附劑，從150千帕開始能吸附較多乙炔，在200千帕下能大量吸附乙炔，在100千帕下釋放乙炔（供圖：京都大學iCeMS）
此外，還利用液化空氣集團製作的氣瓶原型機應答，可以在1.5個大氣壓力下開始吸附大量乙炔，在1個大氣壓力下釋放。在迄今爲止報告的所有多孔質材料中，其1.5個大氣壓力的可用容量是最大的。以往的氣瓶可以容納1400升乙炔，但需要19個大氣壓力，取出的乙炔濃度低於95％。試製的氣瓶雖然容量只有700升，但可在1.5個大氣壓力下儲存，並且只需開啟閥門即可取出99.99％濃度的乙炔氣體。由於壓力低，無需像以往那樣使用厚鋼製造，還可以實施輕量化和大型化。
北川基地主任表示：「乙炔是對化學合成至關重要的物質，但此前一直沒有運輸高純度乙炔的方法。過去即使想將乙炔作爲化學合成材料使用，但因爲無法大量運輸且純度低，所以無法使用。如果此次開發的氣瓶能投入使用，乙炔就可以作爲化學原料使用，此前一直沒有進展的使用乙炔的有機合成將逐漸取得進展。」
【論文資訊】
發表期刊：Nature Chemistry
論文題目：Tunable acetylene sorption by flexible catenated metal–organic frameworks
DOI：10.1038/s41557-022-00928-x
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
