常温常压下二氧化碳成功转化为多孔材料 - -以碳中和为目标的新方法- / 开普饭

京都大学艾森斯教授堀毛悟史、京都大学工学研究科博士生门田健太郎(现俄勒冈大学JSPS海外特别研究员)等组成的研究小组，与株式会社JEOL RESONANCE研究员西山裕介(兼理化研究所科技枢纽产连总部巴顿区研究推进计划理研-JEOL联合中心纳米晶体分析联合单元组长)、京都大学高等研究院艾姆斯的Daniel Packwood讲师小组等合作，成功开发了在常温常压下将二氧化碳( CO2 )转换为有用的多孔性材料的新方法。

由于化石燃料的大量消耗和森林砍伐而增加的大气中的CO2被认为是全球变暖和海洋酸性化等许多环境问题的原因。另一方面，也可以将CO2作为地球上普遍丰富存在的资源来捕捉。如果能将CO2转化为有用的燃料和材料，就成为解决环境问题的线索，同时也能为社会的持续发展做出巨大的贡献。过去，在许多情况下，要将CO2转化为有用的材料，就必须在高温高压下进行反应，或使用昂贵的贵金属催化剂。这是因为二氧化碳的碳是最氧化(燃烧)的状态，要转换成有用的物质需要很多能量。

多孔性材料是指在其内部具有无数微观孔(细孔)的固体，身边放入净水器和空气净化器中的活性炭和沸石就是例子。近年来多孔性材料的研究越来越发展，应用于从能量储存到气体分离的广泛领域。本研究着眼于由金属离子和有机分子组成的类似丛林健身房结构的多孔性材料- -多孔性金属络合物( PCP/MOF )。 PCP/MOF自90年代后半期被发现以来，开发了90，000多种类型，其中一部分已实用于半导体气体储存用途等。但是，无论是哪一种，都没有以CO2为原料制作的。

研究小组开发了一种叫做胺的有机分子与CO2反应，使得到的有机分子直接与金属离子反应，从而一次合成PCP/MOF的方法。在胺和金属离子的组合上下功夫，可以将常温常压的CO2转换为各种各样的PCP/MOF。利用放射光x射线衍射测量和固体核磁共振光谱法( NMR )调查得到的PCP/MOF的分子水平结构时，发现内部有规则地形成1nm的细孔，其结构的每重量30%以上由CO2形成。

这个合成方法在各种条件下也起作用。例如，通过一次反应，可以将9升的CO2转换为50g的PCP/MOF粉末，作为固体封闭。另外，如果用空气尝试该反应，空气中存在的低浓度( 0.04% )的CO2和胺金属离子会发生反应。也就是说，也可以由空气直接合成PCP/MOF。并且，在合成的PCP/MOF的细孔中可以储存大量的CO2，结果实现了最大1g材料中含有0.7g CO2的高浓缩状态(常温26个大气压)。

本研究成功地将常温常压的CO2简便地转换为多孔性材料并加以利用。通过对金属离子和胺的组合下功夫，具有各种结构和功能的多孔性材料的合成、含有大量杂质的工厂排气中的CO2等资源化对象的扩大也备受期待。

详情请参阅在京都大学·艾姆斯的主页·

开发了一种新方法，可以将二氧化碳( CO2 )在常温下、不施加高压的情况下转换为有用的多孔性金属络合物( PCP/MOF )。 (高宫明迪/京都大学艾森斯)

以在常温常压下二氧化碳成功转换为多孔性材料的碳中和为目标的新方法

研究小组开发了一种叫做胺的有机分子与CO2反应，使得到的有机分子直接与金属离子反应，从而一次合成PCP/MOF的方法。在胺和金属离子的组合上下功夫，可以将常温常压的CO2转换为各种各样的PCP/MOF。利用放射光x射线衍射测量和固体核磁共振光谱法( NMR )调查得到的PCP/MOF的分子水平结构时，发现内部有规则地形成1 nm的细孔，其结构的每重量30%以上由CO2形成。

本研究成功地将常温常压的CO2简便地转换为多孔性材料并加以利用。通过对金属离子和胺的组合下功夫，具有各种结构和功能的多孔性材料的合成、含有大量杂质的工厂排气中的CO2等资源化对象的扩大也备受期待。本研究在日本学术振兴会( JSPS )的支持下实施，于2021年10月4日公布在美国化学会杂志《日本化学协会》上。

关于详细的研究成果

常温・常圧で二酸化炭素の多孔性材料への変換に成功 −カーボンニュートラルを目指す新たな手法−

以在常温常压下二氧化碳成功转换为多孔性材料的碳中和为目标的新方法（日译汉全文见下）

书目情报

论文标题

“One-Pot, Room-Temperature Conversion of CO2 into Porous Metal−Organic Frameworks”

(参考译文:二氧化碳向多孔性金属有机结构体的常温常压一壶转换)

作者:Kentaro Kadota, You-lee Hong, Yusuke Nishiyama, Easan Sivaniah, Daniel Packwood, and Satoshi Horike

Journal of the American Chemical Society｜DOI: 10.1021/jacs.1c08227

以在常温常压下二氧化碳成功转换为多孔性材料的碳中和为目标的新方法

常温常压下二氧化碳成功转化为多孔材料指向碳中性的新方法

在温和的条件下将化学惰性的二氧化碳简便高效地转化为多孔性材料也可以直接利用空气中的低浓度二氧化碳和氧化皮进行合成

京都学艾森斯的堀悟史副教授、京都学研究科博士课程学的健太郎(现俄勒冈学JSPS海外特别研究员)等研究小组，与株式会社JEOLRESONANCE的裕介研究员(兼理化学研究所科技枢纽产连总部巴顿区研究推进计划理研-JEOL联合中心纳米晶体分析联合单元组长)、京都学等研究院艾姆斯的Daniel Packwood讲师小组等合作，成功开发了在常温常压下将二氧化碳( CO2 )转换为有利的多孔性材料的新法。

由于化学燃料的量消耗和森林砍伐而增加的空气中的CO2被认为是全球变暖和海洋酸性化等许多环境问题的原因。也可以将CO2视为地球上普遍丰富存在的资源。如果能将CO2转化为有用的燃料和材料，在解决环境问题的同时，也能为社会的持续发展做出巨大的贡献。过去，在很多情况下，要将CO2转化为有用的材料，必须在温压下进行反应，使用昂贵的贵金属催化剂。这是因为CO2的碳是最氧化(燃烧)的状态，要转换成有用的物质需要很多能量。

多孔性材料是指在其内部具有无数微观(细孔)的固体，最近使用在净水器和空气净化器中的活性炭和沸石就是例子。近年来，多孔性材料的研究越来越发展，广泛应用于从能量储存到气体分离的领域。本研究关注的是多孔性金属络合物( PCP/MOF )※1 )，这是一种具有类似于由金属离子和有机成分组成的丛林健身房结构的多孔性材料。 PCP/MOF自90年代后半期发表以来，开发了90，000多种类型，其部分已应用于半导体气体储存用途等。但是，无论是哪一种，都没有以CO2为原料制作的。

研究小组开发了一种方法，通过使被称为胺的有机成分和CO2发生反应，使得到的有机成分直接与金属离子发生反应，从而可以一次合成PCP/MOF。胺和金属离子的组合下功夫，可以将常温常压的CO2转换为各种各样的PCP/MOF。使用放射光x射线衍射测量※2 )和固体核磁共振分光法( NMR )※3 )得到的PCP/MOF的分子水平结构进行了调查，结果发现内部有规则地形成1 nm的细孔，其结构每重量30%以上由CO2形成。

这个合成法在各种条件下也起作用。例如，通过温度的反应，可以将9升的CO2转换为50g的PCP/MOF粉末，作为固体封闭。另外，如果用空气尝试该反应，空气中存在的低浓度( 0.04% )的CO2和胺属离子会发生反应。也就是说，也可以由空气直接合成PCP/MOF。并且，在合成的PCP/MOF的细孔中可以储存大量的CO2，结果实现了最大1g材料中含有0.7g CO2的浓缩状态(常温26个大气压)。

本研究成功地将常温常压的CO2简便地转换为多孔性材料并加以利用。通过配合金属离子和胺的组合，具有各种结构和功能的多孔性材料的合成、含有大量杂质的情况下的排气中的CO2等资源化对象的扩大也备受期待。本研究是在本学术振兴会( JSPS )的支持下实施的，于2021年10月4日在美国化学会杂志《美国化学协会》上发表。

1. 背景

二氧化碳( CO2 )是全球变暖和海洋酸化等多种环境问题的原因，是一直被讨论减少排放量的“麻烦者”。宣布到2050年实现碳中和，以平衡含CO2的温室气体的排放量和吸收量为目标，全世界正在进行各种各样的努力。，CO2也可以作为地球上普遍丰富存在的可再生碳源(资源)捕捉。开发将CO2转换为有用物质材料的方法是实现可持续社会的最大社会课题之一。但是，在大多数情况下，为了通过化学反应转换CO2，需要使用温压等能源，以及其他价格稀少的贵金属。这是因为CO2所含的碳( c )是氧化最多的状态，要引起化学反应，大的能量是不可缺少的。因此，在温和的条件下(常温常压)使用CO2，合成具有优异特性和功能的材料是很困难的。

多孔性材料是指在其内部具有无数微观(细孔)的固体，附近净水器和空气净化器中携带的活性炭和沸石就是例子。近年来，多孔性材料的研究越来越发展，广泛应用于从能量储存到气体分离的领域。本研究关注了具有由金属离子和有机成分(交联性配位)组成的丛林健身房这样结构的多孔性材料PCP/MOF。 PCP/MOF自90年代后半期发表以来，开发了90，000多种类型，其部分已应用于半导体气体储存用途等。但是，无论是哪一种，都没有以CO2为原料制作的。其理由是，尚未探索出由CO2简便地制备适合合成PCP/MOF的交联性配位的方法。

2 .研究内容和成果

本研究开发了从常压常温的CO2进一步合成PCP/MOF的方法。考虑到反应性，着眼于廉价无毒的锌离子( Zn2+ )和被称为哌嗪的胺的组合。常温下，通过向含有该金属离子和胺的溶液中吹入常压的CO2，以80%以上的高收率得到了PCP/MOF。该反应在几分钟内完成，得到的PCP/MOF具有较高的纯度。

为了确认CO2是如何嵌入到PCP/MOF中的，通过固体核磁共振光谱法( NMR )测量(与株式会社JEOLRESONANCE、裕介研究员等人的共同研究)，确认了CO2与胺反应，以交联性配位存在(图1右) 另外，通过辐射光x射线衍射测量，确定了PCP/MOF的晶体结构后，观察到了来自CO2的交联性配位通过连接金属离子而具有高周期性、均匀细孔的结构(图1左)。

从这些分析中可知，得到的PCP/MOF按重量计由30%以上的CO2构成。利用理论计算(与京都学艾森斯、Daniel Packwood讲师的共同研究)调查了编入PCP/MOF的CO2的状态，研究表明，尽管从常温下的反应中得到，但通过与金属离子的强烈相互作用，CO2仍能稳定地进入结构中。

这次开发的方法适用于各种条件下的CO2。例如，通过增大合成容器，有效地吹入CO2，也可以一次将9L(16g )的CO2转换为50g的PCP/MOF粉末(图2 )。另外，由于金属离子和胺选择性地与CO2反应，因此即使是空气中存在的低浓度( 0.04% )的CO2，也可以通过本方法直接转换为PCP/MOF。可以说直接使用空气中的CO2进行资源化·材料化的方法无论材料如何都是有限的，不需要CO2的回收和分离等工序，是简单节能的方法。通过这样在由CO2直接合成的PCP/MOF的细孔内部进一步储藏CO2，实现了最大每重量70%的CO2含量(常温26气压)。如上所述，通过组合金属离子和胺，首次实现了具有优良多孔性和CO2含量的多孔性材料在温和条件下的转换方法的开发。

“图1.(左)由常温常压的CO2制成的PCP/MOF的晶体结构。 (右)哌嗪和CO2形成交联性配位，同时与锌离子( Zn2+ )反应，形成PCP/MOF。

⼤スケールでの合成も可能图1.(左)由常温常压的CO2制成的PCP/MOF的晶体结构。 (右)哌嗪和CO2形成交联性配位，同时与锌离子( Zn2+ )反应，形成PCP/MOF。

图2.(左)通过CO2的流生成的PCP/MOF的量合成的例子。以超过80%的收率和高纯度得到合成物。 (右)从9升的CO2中得到的PCP/MOF粉末( 50克)。

3 .今后的展开

减少会引起地球规模众多环境问题的二氧化碳排放量是当务之急，为了持续社会的发展，不可缺少开发具有更好特性和功能的物质材料。以CO2为原料的功能性材料的研究开发是科学家面临的最大课题之一，不依赖能源和贵属的清洁持续的转换法的实现至今还很困难。在本研究“常温常压下CO2向多孔性材料的转换”中，指出了可以将廉价的金属和有机成分组合，简便且量好地合成优异的多孔性材料。此次取得的成果，隐藏着从自然资源匮乏的书中普遍存在的空气(其中所含的CO2 )中，不仅产生多孔性材料，还产生各种具有附加价值的材料的方法的确实可能性。除了空气中低浓度的CO2直接资源化外，还期待扩大含有大量杂质的场所的排气中的CO2等资源化对象。

4 .语言解说

※1多孔性金属络合物( PCP/MOF )

金属离子和有机成分交替连续，形成像纳米尺寸的丛林一样的三维结构，是具有均匀(细孔)的结晶性多孔性材料。由于通过金属离子和有机成分的组合可以自由地设计结构，因此迄今为止，气体的分离储存材料、固体催化剂、燃料电池的电解质等广泛的应用一直在进行。

※2放射光x射线衍射测量这是利用使用大型加速器得到的高质量x射线(放射光)，明确原在固体中是如何规则排列的(周期性)的方法。

※3固体核磁共振分光( NMR ) 分析装置的一种。你可以利用原核拥有的磁能，破坏性地在纳米级上调查固体材料的分结构。

5 .关于研究项目

在本成果之前，我们先后完成了本学术振兴会( JSPS )基础研究( b )“液体分运动性被导入的结晶性有机结构体的合成和动态功能”( 18H02032 )、特别研究员奖励费“使用含氧化物阴离子的络合物体格创建元素贮藏材料”( 18J14153 )、受新学术领域研究(研究领域提案型)“配位不对称:开拓对称配位圈设计和异集成化的新物质科学”( 19H04574 )的支持。

6 .论文标题·作者

“One-Pot, Room-Temperature Conversion of CO2 into Porous Metal−Organic Frameworks”

(参考译文:将二氧化碳向多孔性属有机结构体的常温常压一壶转换) 作者:⾨⽥健太郎、You-lee Hong、⻄⼭裕介、Easan Sivaniah、丹尼尔·帕克沃德、堀⽑悟史

美国化学协会: 10.1021/jacs.1c 08227

详情请参阅在京都大学·艾姆斯的主页·新标签页中打开。

常温常压下二氧化碳成功转化为多孔材料 - -以碳中和为目标的新方法-

相关推荐