2026-06-04 パシフィック・ノースウェスト国立研究所（PNNL）
◆ガス分離は天然ガス精製、炭素回収、水素製造など多くの産業プロセスで重要だが、従来は透過速度と選択性のトレードオフが課題だった。研究では、多孔質材料内部でガス分子が結晶構造の特定方向に沿って優先的に拡散する現象を解析し、この異方的な拡散特性が分離性能を大幅に高めることを示した。実験と分子シミュレーションを組み合わせた結果、分子サイズや形状のわずかな違いが拡散方向によって強調され、従来より高い選択的分離が可能になることが判明した。
◆この知見は、二酸化炭素回収、水素精製、化学原料製造などに用いる高性能分離膜や吸着材の設計指針を提供するものであり、エネルギー消費の削減や脱炭素技術の高度化への貢献が期待される。研究は、材料内部の分子輸送現象を精密に制御することで、次世代ガス分離技術の開発を加速する可能性を示した。
Enhanced gas transport can be achieved via tunable interactions between the substrate and the geometric orientation of hexagonal patterns in nanotube walls.(Image by Mike Perkins | Pacific Northwest National Laboratory)
＜関連情報＞
- https://www.pnnl.gov/publications/direction-specific-diffusion-enhances-gas-separations
- https://www.nature.com/articles/s41467-026-72123-2
キラル六方晶窒化ホウ素ナノチューブにおけるCO₂の方向選択的な拡散促進 Direction-specific enhanced diffusion of CO2 in chiral hexagonal boron nitride nanotubes
Manh-Thuong Nguyen,David J. Heldebrant,Jian Liu,Abhoyjit S. Bhown & Zhijie Xu
Nature Communications Published:28 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-72123-2
Abstract
To meet performance requirements, the next generation of gas separation membranes will need both high gas permeability and selectivity, attainable if we could coax adsorbates to minimize random Brownian motion and produce direction-specific diffusion along a desired axis. In this atomistic modeling study, we detail how direction-specific diffusion of CO2 can be achieved in chiral hexagonal boron nitride nanotubes (hBNNTs) by means of a non-Knudsen diffusion mechanism. Our findings detail how this mechanism of diffusion is driven by interactions with the tube walls and enables the CO2 molecules to diffuse along the nanotube’s z-axis with minimized collisions and directional changes. hBNNTs with chiral indices exhibit CO2 diffusion rates faster than non-chiral tubes of comparable and larger diameters. Of the hBNNTs studied, a (7,3) tube appears to be ideally sized (3.7 Å radius) exhibiting CO2 diffusion that is 3.4 times faster than diatomic N2. Applying this mechanism of diffusion to hypothetical sheet membranes prepared with aligned chiral (7,3) hBNNTs results in membranes with a calculated CO2/N2 permselectivity of 170 and a CO2 permeability limit of nearly 1.35 ×107 Barrer, readily surpassing the Robeson upper bound for CO2/N2 separations.
