ヘテロ原子設計COF膜が切り拓く新技術―高効率CO2分離を実現する次世代混合マトリックス膜―

2026-05-25 東北大学

東北大学多元物質科学研究所の根岸雄一教授、Das Saikat講師らの研究グループは、酸素や硫黄などのヘテロ原子を精密導入した共有結合性有機構造体(COF)を開発し、高性能CO₂分離膜への応用に成功した。成果は『Journal of the American Chemical Society』誌に掲載された。研究チームは、二次元π共役COF「TUS-621」「TUS-622」を設計し、高分子Pebax中へ均一分散させた混合マトリックス膜(MMM)を作製。特に酸素含有型TUS-621を導入した膜では、CO₂透過係数433 Barrer、CO₂/CH₄選択性55.3を達成し、従来高分子膜性能限界とされる「Robeson上限」を突破した。さらにCO₂/H₂分離でも高透過性と高選択性を両立した。理論計算により、酸素豊富な細孔環境がCO₂分子との相互作用を強化し、選択的輸送を促進することも解明された。成果は、天然ガス精製、水素製造、カーボンマネジメントなどに向けた次世代CO₂分離膜設計の新指針となる。分子設計を膜性能へ直接反映できる点が大きな特徴であり、省エネルギー型ガス分離技術への応用が期待される。

ヘテロ原子設計COF膜が切り拓く新技術―高効率CO2分離を実現する次世代混合マトリックス膜―
図1. D3h対称性を有する六座の有機分子HFPTPと二座の有機分子ODAおよびASDの網目構造化により、π共役二次元COF(TUS-621、TUS-622)構造が形成される模式図。

<関連情報>

ヘテロ原子を組み込んだ共有結合性有機骨格が、混合マトリックス膜におけるCO2分離のトレードオフを打破する Heteroatom-Engineered Covalent Organic Frameworks Break the CO2 Separation Trade-Off in Mixed Matrix Membranes

Tsukasa Irie,Liting Yu,Sourav Ghosh,Mika Nozaki,Kohki Sasaki,Tokuhisa Kawawaki,Ranjit Thapa,Yu Zhao,Saikat Das,Zixi Kang,and Yuichi Negishi
Journal of the American Chemical Society  Published: May 21, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c23169

Abstract

Breaking the long-standing permeability–selectivity trade-off remains a central challenge in membrane-based carbon dioxide separations. Here we report a heteroatom-engineering strategy that leverages structurally precise covalent organic frameworks (COFs) to transcend this limitation in mixed matrix membranes (MMMs). Two isostructural, π-conjugated two-dimensional COFs, TUS-621 and TUS-622, were rationally designed through symmetry-guided reticulation of a hexatopic triphenylene node with oxygen- and sulfur-containing diamine linkers, respectively, enabling systematic modulation of pore surface chemistry without altering topology. When incorporated into a Pebax polymer matrix, these COFs function as CO2-philic, molecularly defined transport domains that synergistically couple preferential CO2 sorption with ordered and fast diffusion channels. The optimized TUS-621/Pebax-10% membrane exhibits a CO2 permeability of 433 Barrer with a CO2/CH4 selectivity of 55.3 under mixed-gas conditions, decisively surpassing the 2008 Robeson upper bound for CO2/CH4 separation while simultaneously achieving high CO2/H2 separation performance (CO2 permeability of 407 Barrer and selectivity of 25.2). Comprehensive pressure- and temperature-dependent permeation studies reveal that selectivity remains remarkably stable over 2–10 bar and 25–100 °C, underscoring the robustness of the COF-enabled transport pathways. Long-term operation over 30 days shows negligible performance decay, highlighting excellent resistance to physical aging and interfacial degradation. Comparative analysis establishes that oxygen-rich pore environments in TUS-621 impart stronger CO2 affinity and higher accessible surface area than the sulfur-containing analogue, directly translating molecular-level design into macroscopic separation performance. This work demonstrates that heteroatom-engineered COFs provide a powerful platform for overcoming fundamental transport trade-offs and advancing MMMs toward practical, high-efficiency CO2 separations.

0505化学装置及び設備
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