ヘテロ原子设计颁翱贵膜が切り拓く新技术―高効率颁翱2分离を実现する次世代混合マトリックス膜―

2026年5月25日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　教授　根岸雄一
多元物質科学研究所　講師　Das Saikat

【発表のポイント】

ヘテロ原子（酸素?硫黄）を精密に组み込んだ共有结合性有机构造体（颁翱贵）^（注1）を开発し、混合マトリックス膜（惭惭惭）^（注2）に応用しました。
酸素含有COF「TUS-621」を高分子（Pebax）膜中に導入することで、CO?/CH?およびCO?/H?分離において、従来膜性能の指標であるロベソン上限（Robeson upper bound）^（注3）を超える高性能を达成しました。
理论计算により、酸素豊富な细孔环境が颁翱?との强い相互作用を生み出し、选択的颁翱?输送を促进していることを明らかにしました。

【概要】

二酸化炭素（颁翱?）の高効率分离は、天然ガス精製、水素製造、カーボンマネジメントなど、エネルギー?环境技术の根干を支える重要课题です。しかし、従来の高分子膜では、「透过性」と「选択性」の间にトレードオフが存在し、両者を同时に向上させることは极めて困难とされてきました。

东北大学多元物质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、ヘテロ原子設計に基づく二次元π共役共有結合性有機構造体（COF）「TUS-621」および「TUS-622」を開発し、これらを高分子（Pebax）膜中に均一分散させた混合マトリックス膜（MMM）を作製しました。

特に酸素含有COFであるTUS-621を導入したTUS-621/Pebax-10%膜は、混合ガス条件下においてCO?透過係数433 Barrer、CO?/CH?選択性55.3を達成し、2008年のロベソン上限（Robeson upper bound）を超える優れた分離性能を示しました。また、CO?/H?分離においても高い透過性と選択性を同時に実現しました。

本研究成果は、细孔内ヘテロ原子化学を精密制御することで、分子レベルの设计を膜レベルの颁翱?分离性能へ直接反映できることを示したものであり、次世代高効率颁翱?分离膜设计の新たな指针となることが期待されます。
本研究成果は、2026年5月21日公開の学術誌Journal of the American Chemical Society に掲載されました。

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。

【用语解説】

注1. 共有結合性有機構造体（COF: Covalent Organic Framework）
颁翱贵は、有机分子同士が强固な共有结合によって周期的に连结された结晶性多孔材料であり、规则的な细孔构造、高い比表面积、优れた化学安定性、および高い设计自由度を特徴とする。分子レベルで细孔サイズや细孔表面化学を精密に制御できるため、ガス分离、触媒、エネルギー贮蔵、吸着など多様な机能材料として注目されている。

注2. 混合マトリックス膜（MMM: Mixed Matrix Membrane）
混合マトリックス膜（惭惭惭）は、高分子膜中に多孔性材料を均一分散させた复合膜であり、高分子の加工性?机械的柔软性と、多孔性材料の高选択的分离性能を融合できることが特徴である。本研究では、笔别产补虫という高分子によって作製された高分子膜に颁翱贵を均一分散させた。

注3. ロベソン上限（Robeson upper bound）
ロベソン上限（Robeson upper bound）とは、高分子膜における「ガス透過性」と「ガス選択性」の間に存在する経験的な性能限界を示した指標である。一般に、透過性を高めると選択性が低下し、逆に選択性を高めると透過性が低下するというトレードオフ関係が知られている。Robeson upper boundを超えることは、従来膜性能を超越した革新的ガス分離材料であることを意味する。

【论文情报】

タイトル：Heteroatom-Engineered Covalent Organic Frameworks Break the CO2 Separation Trade-Off in Mixed Matrix Membranes
著者：入江司??、Liting Yu??、Sourav Ghosh?、野崎未佳?、佐々木 Kohki?、川脇徳久?、Ranjit Thapa?,?*、Zhao Yu?*、Das Saikat?*、Zixi Kang?,?*、根岸雄一?*
（1. 东北大学多元物质科学研究所、2. 中国石油大学（華東）材料科学工学学院?山東省智能エネルギー材料重点実験室、3. SRM University-AP 物理学科、4. SRM University-AP 計算?統合科学センター、5. 浙江師範大学先進フッ素含有材料研究所、6. 中国石油大学（華東）重質油処理国家重点実験室）
?これらの着者は本研究に同等の贡献をしました。
*責任著者：SRM University-AP　Ranjit Thapa
浙江師範大学　教授　Zhao Yu
東北大学多元物質科学研究所　講師　Das Saikat
中国石油大学（華東）　Zixi Kang
東北大学多元物質科学研究所　教授　根岸雄一
掲載誌：Journal of the American Chemical Society
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