神戸大学先端膜工学研究センターの松山秀人教授らの研究グループは、2次元炭素材料※1を高分子多孔膜※2の表面に積層することで、新しい脱塩膜の開発に成功しました。

脱塩膜は、海水から淡水を作り出すことができる材料です。世界的な水資源の不足の解決のため、現在実用されている脱塩膜よりも透水速度が速く、脱塩性能に優れる脱塩膜の開発が、さらに高効率で省エネルギーな海水淡水化※3の実現のために求められています。

本研究では、酸化グラフェン※4ナノシートと呼ばれる2次元ナノ材料を、化学的な還元処理※5を施した後に、多孔膜上に積層することで、約50ナノメートル(1ミリメートルの1/20000)の厚みを有する脱塩膜を開発しました。開発した脱塩膜は、ナノシート同士の間隔や、ナノシート表面の電荷が制御されており、高性能な脱塩処理が可能です。将来的には新しい脱塩膜としての実用化や応用が期待されます。

この研究成果は、2020年11月18日に、国際学術雑誌「Journal of Materials Chemistry A」にオンライン掲載されました。

ポイント

  • 2次元ナノシートを材料とする新規の脱塩膜の開発に成功。
  • 酸化グラフェンナノシートを還元処理することで、ナノシート間π-π相互作用※6を増強。
  • π-π相互作用によりナノシート積層膜の安定性向上とナノシート同士の間隔制御が可能。
  • π電子共役系※7と電荷を有するポルフィリン由来の平面化合物※8をナノシート間に導入することで、酸化グラフェンと平面化合物の負電荷による静電反発※9効果により、陰イオン※10のナノチャネル※11内における移動を制限。
  • 開発したナノシート積層膜はNaCl水溶液からNaClを約95%カットでき、将来的には、本研究成果の応用により新規の海水淡水化用の高性能脱塩膜を創製する技術になり得る。

研究の背景

地球上の水は97.5%が海水で、淡水は2.5%しかありません。そのうち、簡単な処理により人類が利用できる淡水は、地球の水資源のわずか0.01%に過ぎません。一方で、人口は年々増え続けています。そのため、数年後には世界の人口の2/3が水不足になるという予測もあります。この世界的な水不足は、人類が直面している最も重大な問題の一つです。そのため、地球上に大量に存在する海水を淡水化することで水資源を得る技術はとても重要です。

しかしながら、従来の海水淡水化法である蒸発法では、海水を蒸発させて塩分を取り除くため、大量のエネルギーを消費します。一方で、膜分離法は海水から水だけをろ過し、塩分を取り除くことで淡水を得ることができる省エネルギーな方法です。膜を用いた海水淡水化法は既に実用化されていますが、これまでの脱塩膜の透水速度と塩分除去性能にはトレードオフの関係があります。そのトレードオフを打破し、より高効率な海水淡水化を可能にするためには、新規の材料を用いた革新的な脱塩膜の開発が不可欠です。

研究の内容

本研究チームは、炭素原子程度の厚みの2次元炭素材料を用い、それを積層することで高性能な脱塩膜を開発しました。使用した2次元材料は、化学的な還元処理を施すことによりπ電子共役系が付与された酸化グラフェンナノシートです。そのナノシートを、荷電官能基とπ電子共役系の両方を有するポルフィリン由来の平面構造分子とともに、多孔膜上に積層することにより、約50ナノメートルの厚さの超薄脱塩機能層を形成しました(図1)。

図1 開発したナノシート積層膜の断面電子顕微鏡写真

形成された超薄脱塩機能層はナノシート同士の間隔(ナノチャネル)が1ナノメートル以下に制御されており、高いイオン阻止性能を示しました。また、その超薄脱塩機能層を有するナノシート積層膜は、ナノシート間のπ-π相互作用により水中でもナノチャネル間隔が安定に維持されるため、長期間使用することが可能です。また、20 barの圧力下でも、その優れた脱塩性能を損ないません。

開発したナノシート積層膜内のイオンの輸送は、ナノシート表面の静電反発によって効果的に抑制されていることを明らかにしました(図2)。この静電反発は、ナノチャネルの幅が最適に制御されたときに大きな効果を発揮します。本研究チームが用いたナノシート材料は、化学的還元処理の度合いやポルフィリン由来の平面分子の導入率を制御することで、そのナノチャネルの幅を制御できます。そのため、最適条件で作製したナノシート積層膜は、海水中のイオンの主成分でありながら、その透過を阻止することが特に難しいNaClに対してでさえ、約95%という非常に優れた阻止性能を実現できます。

図2 ナノチャネルを介して透過する水とナノチャネルに入りにくく透過しにくいイオンの模式図

今後の展開

今回の研究で開発した2次元ナノシート積層膜の作製手法は、酸化グラフェンナノシートの還元度合いと平面構造を有する化合物の導入率を制御することで、ナノシート間の間隔とイオンの静電反発効果を制御できるため、海水淡水化用の脱塩膜をはじめとし、様々な電解質分離膜の作製への応用が期待できます。

分離膜を用いた省エネルギーな脱塩技術は、水不足の解消に不可欠な技術で、地球規模の水資源枯渇問題の解決への貢献が期待されています。今後は、開発した膜の実用化に向けて、更なる高性能化を進めます。

用語解説

※1 2次元炭素材料
炭素原子が2次元的に共有結合した単原子シート。特に、炭素原子が蜂の巣状(ハニカム状)に互いに強固に共有結合した単原子シートはグラフェンと呼ばれる。
※2 高分子多孔膜
通常数ナノメールから100ナノメートル程度の微細な孔がある膜。
※3 海水淡水化
海水を処理して淡水(真水)を作り出すこと。
※4 酸化グラフェン
グラフェンが酸化されることにより、エポキシ基およびカルボキシル基、カルボニル基、水酸基などさまざまな酸素含有官能基が結合した炭素材料。
※5 化学的還元処理
還元剤を用いて酸化物を還元する処理。ここでは、還元剤としてL-アスコルビン酸とアンモニアを用い、酸化グラフェンを還元する処理。
※6 π-π相互作用
有機化合物分子の芳香環の間に働く相互作用。
※7 π電子共役系
二重結合が一つの単結合をはさんで連なることで、二重結合を形成するπ電子が分子の一箇所のみにとどまらず、広く分布した状態を持つ分子系の総称。
※8 平面化合物
2次元(平面)構造を有する化合物。
※9 静電反発
同符号の電荷を帯びたイオンやイオン性官能基間に働く斥力により、そのイオンやイオン性官能基間の距離が離れること。
※10 陰イオン
負の電荷を帯びたイオン。
※11 ナノチャネル
ナノメートルサイズの空間を有する流路。

論文情報

タイトル
Nanochannel-confined charge repulsion of ions in a reduced graphene oxide membrane
DOI:10.1039/D0TA08881A
著者
Kecheng Guan, Shengyao Wang, Yufan Ji, Yuandong Jia, Lei Zhang, Kai Ushio, Yuqing Lin,Wanqin Jin, Hideto Matsuyama
掲載誌
Journal of Materials Chemistry A

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