大型放射光施設 SPring-8

公開日

2005年07月14日

平成17年7月14日
京都大学
(財)高輝度光科学研究センター
(独)科学技術振興機構

　特定の気体を吸着、濃縮する材料および技術開発は昨今のエネルギー問題や環境問題を解決するために、重要視されるものであります。例えば、燃料電池における水素吸蔵材料の開発、NO_x や SO_x などの有害排ガスの吸着除去、地球温暖化ガスのメタン、CO₂の分離除去などは、周知の課題であります。活性炭やシリカゲルといった多孔性の物質が我々の身の回りでは吸着剤として活躍しておりますが、上記の問題を解決するために必要な、特定の分子を大量に吸着するまたは分離するという事は非常に難しい事でありました。
　最近になり、金属イオンと有機イオンとの複合化によって作られる、多孔性金属錯体と呼ばれる新しい多孔性物質が開発され、さまざまな新しい現象が見つかって参りました。本研究はこの新しい物質である、多孔性金属錯体により特定の分子を大量に吸着するまたは分離するという事を目指したものであり、その結果、爆発性のアセチレン気体を選択的に吸着、超高密度に濃縮して吸着することができました。
　アセチレン（C₂H₂）は不飽和3重結合を有する非常に反応活性な分子であります。そのため分子変換が容易で、様々の有機化合物の合成原料となっております。また、アセチレンを燃やすと高温の炎を得られることから金属の溶接用の燃料としても広く用いられております。このように反応活性が大きいということは、大きなメリットがある反面、その取り扱いが難しく、常温で2気圧以上に圧縮すると爆発してしまう危険性があり、重大事故の報告も数多くあります。またアセチレンはノーベル賞受賞された白川博士が発見した伝導性ポリアセチレンの原料でもあり、先端エレクトロニクスの分野においても重要な位置づけにある分子であります。この有用であるが取り扱いの難しいアセチレンを選択的に高密度で貯蔵することは物質材料科学の一つのチャレンジでありました。
　まず、今回用いた多孔性金属錯体の特徴を図１に示します。この物質は0.4 x 0.5 nmの大きさの筒状の小さな穴が無数に開いた物質であります。このような小さな筒状の穴が開いた物質は炭素原子のみで作られるカーボンナノチューブが有名であります。一方この多孔性金属錯体では、様々な原子で作る事ができるため、その表面の性質を多様に変化させられます。今回の実験成功のみそとなるのは、アセチレンと強く相互作用する部分をその表面にうまく配列させたことであります。図２中では黄色いアセチレン分子が細孔内で、赤色の酸素原子によって両側から強く捉えられていることがわかります。
　この多孔性金属錯体が選択的にアセチレンを吸着する図を示します（図３）。縦軸が吸着量で横軸がガスの圧力になります。アセチレンと二酸化炭素は非常ににかよった形と性質を有しており、例えば両者の沸点は5度ほどしか変わりません。そのため通常の吸着剤では吸着量に顕著な差を見る事ができません。しかしながら、この物質では二酸化炭素にくらべ最大で26倍ものアセチレンを吸着できる事がわかりました。また赤い円で示される吸着量が最大になったところでの、アセチレンの密度は恐るべきことに400気圧（約40 MPa）以上にも濃縮されており、これはアセチレンが爆発する危険のある2気圧の200倍に相当するものでありました。

　本研究は新しい物質、多孔性金属錯体を用いて、アセチレンという特定の分子を大量に高密度で吸着する事に成功したものであります。本研究により、非常に有用な分子であるとともに危険であったアセチレンを簡便に取り扱えるようになるという点において、アセチレンを核とした物質科学が発展するものと期待されます。さらに、多孔性金属錯体という新しい物質は特定の分子を大量に吸着するまたは分離することが可能であることを示した点において、上述したエネルギー問題、環境問題を解決する可能性を大いに示したものであり、その意味おいても本研究結果の世の中に与える影響は少なくないものであると考えられます。

　最後に本研究を遂行するにあたって、世界最高の放射光施設であるSPring-8、世界有数の計算能力を示す東北大学のスーパーコンピューターが、大きな役割を果たしました。この意味においても、世界最高峰の日本の設備と技術によって日本が世界に向けて、世界最高レベルの先端科学技術を発信できる事の証であり、日本が世界に誇れる成果といえます。

<参考資料>

ナノメートルサイズ：
　1ナノメートルは10億分の１メートルで、たとえばアセチレン1個は約0.5ナノメートル

ナノ孔：
　1ナノメートル程度の径の穴（専門用語ではミクロ孔という）