アミン修飾MOFナノ粒子の効率的な分散によるCO2回収を目的とした混合マトリクス膜の選択性の向上
Enhanced selectivity in mixed matrix membranes for CO2 capture through efficient dispersion of amine-functionalized MOF nanoparticles
2017年6月5日 Nature Energy 2 : 17086 doi: 10.1038/nenergy.2017.86
ガス分離用途の混合マトリクス膜（MMM）は、純粋な高分子マトリクスと比べて選択性が高いが、固有透過率が低いことが一般的に報告されており、大規模な炭素回収プロジェクトでの膜技術の実装に、コストの面で大きな影響を及ぼしている。高透過性高分子では、高いエネルギー効率でCO2を回収するのに十分な選択性が得られることはほとんどない。本論文では、ナノサイズのアミン修飾金属有機構造体（MOF）添加物を効率的に分散させた結果、高透過性高分子での選択性が大幅に向上したことを報告する。最適な混合条件下では、全体的な透過率の低下を最小限に抑えつつ向上効果が得られた。MOFのナノサイズ化によって、高分子マトリクス中での分散が向上し、ナノ粒子の周囲における非選択的な微細空孔の形成が最小限に抑えられた。こうしたMOFのアミノ化は高分子マトリクスとの相互作用を高めるため、全体的な複合材料の剛直化が測定され、選択性が向上した。最適なMOF MMMの性能は、3種類の異なる高分子系で検証され、炭素回収に適した圧力範囲と温度範囲でも検証された。
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Mixed matrix membranes (MMMs) for gas separation applications have enhanced selectivity when compared with the pure polymer matrix, but are commonly reported with low intrinsic permeability, which has major cost implications for implementation of membrane technologies in large-scale carbon capture projects. High-permeability polymers rarely generate sufficient selectivity for energy-efficient CO2 capture. Here we report substantial selectivity enhancements within high-permeability polymers as a result of the efficient dispersion of amine-functionalized, nanosized metal–organic framework (MOF) additives. The enhancement effects under optimal mixing conditions occur with minimal loss in overall permeability. Nanosizing of the MOF enhances its dispersion within the polymer matrix to minimize non-selective microvoid formation around the particles. Amination of such MOFs increases their interaction with thepolymer matrix, resulting in a measured rigidification and enhanced selectivity of the overall composite. The optimal MOF MMM performance was verified in three different polymer systems, and also over pressure and temperature ranges suitable for carbon capture.
