京都大學物質-細胞統合系統研究基地（iCeMS、Institute For Integrated Cell-Material Sciences）的北川進特別教授（錯合物化學）和大竹研一特定助教（固態化學）等組成的研究團隊合成出了一種在多種氣體中只吸附二氧化碳（CO₂）的多孔材料。這種材料就像開啟閘門一樣將CO₂吸入内部，但不允許氮氣、氧氣和甲烷等9種分子大小類似的氣體透過。該成果有望促進從工廠等排放的含有各種成分的廢氣中有效地分離和回收CO₂。
只對多種類似氣體中的CO₂開啟閘門並吸附的多孔材料（供圖：© Mindy Takamiya/京都大學iCeMS ）
此次合成的多孔材料是一種由金屬離子與有機分子結合而成的在分子水平上具有無數孔的多孔配位聚合體（PCP）。PCP也被稱爲MOF（多孔金屬錯合物/金屬-有機骨架：metal-organic framework）。北川特別教授於1997年證實其孔可以吸附大量氣體。
用於吸附、分離和儲存等目的的常見多孔材料有活性碳、矽膠和沸石，但這幾種材料的孔大小都無法改變，吸附大分子的唯一方法是施加壓力迫使其進入。另一方面，PCP可以透過更換金屬離子和有機配位體來設計擷取氣體的晶格構造。此外，某些晶格構造可以透過吸附氣體分子而發生變化，相關吸附劑和離子傳輸等應用的研究也正在取得進展。
2021年，研究團隊發表研究成果稱，利用鈷離子和二（4-吡啶基）乙二醇（dpg）製成的PCP，可以分離分子大小和沸點非常相似的CO₂和乙炔。此次，研究人員將鈷離子和吡啶二羧酸（pdc）添加到dpg溶液中，在60攝氏度下加熱24小時後，得到了接近粉紅色的紫色PCP晶體。
合成的PCP原料和生成晶體的顯微影像（供圖：京都大學大竹研一特定助教）
PCP粉末（供圖：京都大學大竹研一特定助教）
將收集的粉狀晶體在-78攝氏度、1個大氣壓力或室溫、6～7個大氣壓力的條件下與CO₂混合在一起時，分隔成袋狀的晶格結構會吸附CO₂，並形成一個連續的通道。
吸附CO₂前，結構中的間隙爲3.6%，但由於吸附引起的結構變化，間隙增加至18.1%（供圖：京都大學大竹研一特定助教）
同時，對氮氣、甲烷、一氧化碳、氧氣、氫氣、氬氣、乙炔、乙烯和乙烷9種氣體幾乎沒有產生吸附。
當多種氣體在低溫下混合時，PCP只對CO₂表現出吸附（左圖）。橫軸代表壓（供圖：京都大學大竹研一特定助教）
研究人員在CO₂中分別加入等量的氮氣、甲烷和乙烯，製成雙成分氣體混合物，並研究了每種氣體混合物被PCP吸附的情況，結果發現在所有氣體混合物中均選擇性吸附CO₂。
將CO₂與氮氣（N₂）、甲烷（CH₄）和乙烯（C₂H₄）的雙成分氣體混合物在室溫下加壓時，紅線所示的CO₂被選擇性地吸附到PCP。Total橫軸表示各氣體的總壓力值（供圖：京都大學大竹研一特定助教）。
根據因晶格結構吸附引起的變化導致的能量損失計算，乙炔和乙烯也可能發生吸附。然而，吸附後在晶格結構中形成的連續通道狀間隙是由大間隙和窄間隙相連的形狀，計算氣體透過通道所需的能量後發現，乙炔和乙烯透過所需的能量高於CO₂。大竹特定助教解釋道：「即使有些氣體可能吸附在表面，但可以進入晶活體內部的只有CO₂。就像只對CO₂開啟閘門並吸附一樣」。
溫室氣體CO₂的高效分離和回收可以透過需要高溫的化學吸附法等實施，所以使用多孔材料進行氣體分離因其能量效率的優勢而備受關注。雖然最近的研究重點集中於分離雙成分氣體混合物，但北川特別教授表示：「實際的工廠廢氣和生物沼氣等中含有CO₂以外的各種成分，如今這款材料已經到了以實用化爲目標，開發可分離多種類似成分氣體的材料的階段」。
該研究與中國同濟大學合作進行，研究論文已發表在英國科學雜誌《Nature Communications》電子版上。
【論文資訊】
雜誌：Nature Communications
論文：Soft Corrugated Channel with Synergistic Exclusive Discrimination Gating for CO₂ Recognition in Gas Mixture
DOI: 10.1038/s41467-023-39470-w
原文：JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
【相關鏈結】
• 京都大學新聞稿「開發出只對二氧化碳開啟閘門並行吸附的柔性多孔材料」
