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2010.03.02
 
国立大学法人 北海道大学

材料のポテンシャルを最大限に引き出す吸着剤・触媒・イオン交換体の作製技術を開発


 NEDO産業技術研究助成事業の一環として,北海道大学大学院 工学研究科 有機プロセス工学専攻の向井紳教授は,多孔質材料の前駆体となる湿潤ゲル(注1)を方向性を持たせて凍結することを利用し,マイクロハニカム状のモノリス体(注2)に成型する技術「氷晶テンプレート法」を新たに開発しました。成型したモノリス体は,流体を通過させた時の抵抗が低く,材料が本来持っているポテンシャルを最大限に引き出すことが可能となります。また,安価な原料を利用でき,テンプレートも安全で除去が容易であるため,低コスト(従来の数十から数百分の一)かつ環境負荷を抑えられる多孔質材料(吸着剤・イオン交換体・触媒)作製技術です。



図1:氷晶テンプレート法で製作したマイクロハニカム状モノリス体の写真
図1 氷晶テンプレート法で製作したマイクロハニカム状モノリス体の写真
(左図)代表的なマイクロハニカム状モノリス体(シリカゲル) と試料作製に利用した容器:試料の全体の形状は作製に利用する容器の形状に依存し,自由自在に変えることができます。(中央図)試料の垂直断面の電子顕微鏡写真:マイクロメーターサイズの流路が軸方向に発達しているのが確認できます。(右図)試料の水平断面の電子顕微鏡写真:マイクロハニカム構造が確認できます。


(注1) ゼリーのように水を大量に含み,均一な構造をとる固体状物質のこと。
(注2) 円柱や直方体の形状を有する一体成型体のこと。



1.背景及び研究概要
 多孔質材料は,化学製品を効率よく製造するための触媒や,水から有害物質を除去するための吸着剤などとして様々な分野で利用されています。一般に,多孔質材料の基本機能はそのナノ細孔によって提供されるため,ナノ細孔の構造制御に関する研究が各所で精力的になされています。多孔質材料は一般的に,粒子として製造し,カラムに充填して利用しますが,流体に対する抵抗を小さくするためには大きな粒子を使う必要があり,このような粒子を使うとその中心部まで有効に使うことが難しくなってしまいます。繊維,ハニカム等のモルフォロジーを材料に付与すれば,原理的にはこの問題を解決することが可能ですが,低コストでこれを実現することは非常に困難でした。また,実現できたとしても,その技術を利用すると環境負荷が高い廃棄物が出るなど新たな問題も生じていました。
 そこで,北海道大学では,多孔質材料の前駆体ゲルを方向性を持たせて凍結するとマイクロハニカム状のモノリス体に成型可能であることを利用して,低コストで環境負荷の低い多孔質材料(吸着剤・イオン交換体・触媒)作製技術の開発に成功しました。もともと含まれている水が材料内部で凍ってできる氷晶のテンプレートとなるために「氷晶テンプレート法」と名付けたこの方法により得られるモノリス体は,マイクロメーターサイズの直線状流路が軸方向に発達し,各流路はナノ細孔が発達したマイクロメーターオーダーの厚みの壁からなっています。したがいまして,内部の拡散距離が微粒子並みに非常に短いにも関わらず,流体を通過させた時の抵抗は大きな粒子を利用した場合と同じ程度に低く,材料が本来持っているポテンシャルを最大限に引き出すことが可能となります。粒子充填カラムの代わりに利用することで,処理時間の短縮,運転コストの低減など多くのメリットがあります。


2.競合技術への強み
 この技術には,他の多孔質材料形成方法に対して次のような強みがあります。
(1)
低コスト,低環境負荷
原料,テンプレートが安価で,テンプレートの除去が容易な「氷晶テンプレート法」を利用しているため,低コスト(従来のマイクロ成型技術の数十〜数百分の一)で環境負荷の低い手法です。
(2)
「ゾル−ゲル」材料一般に適用可能
原理的には,「ゾル−ゲル」で作製可能な材料一般に適用可能です。さらに,ナノ粒子を分散させたゲルにも適用できるため,様々な機能を持ったモノリス体が作製可能です。
(3)
ランニングコストが低減可能
この技術で得られる材料は,流路壁内に発達しているナノ細孔が,マイクロメーターサイズの流路に直結している特異な細孔の階層構造を有していますが,コストはかかるものの他の手法でも同様な構造を実現することが可能です。しかしこの技術で得られる材料はマイクロメーターサイズの流路が直線状であるため,流体に対する抵抗を最小化することが可能となります。よってランニングコストを大幅に低減可能となります。
(4)
種々のスケールにマッチした材料を作製可能
他の競合技術と異なり,ミリメートルサイズからメートルサイズの材料の作製が可能です。このため分析装置のような小型スケールの装置から大量生産用製造装置のような大型スケールの装置まで,スケールにマッチした材料を作製可能です。

表1 本技術と従来手法との比較表
表1 本技術と従来手法との比較表


3.今後の展望
 今後,北海道大学では,この氷晶テンプレート法の実用化を目指して行きます。全くの新規形状の材料となるため,材料の実績作りに向けて,長期スパンでの共同開発を提案します。具体的には,吸着材,イオン交換体,触媒の技術開発・商品開発に実績を有する企業,バイオ工学用のゲルの技術開発・商品開発に実績を有する企業などと,臨床治験レベルの製品仕様策定について共同研究することを希望します。なお,実用化の可能性を検討するための試料の試作も実施します。


4 研究者(向井紳教授)の略歴
1989年 京都大学工学部化学工学科卒業
1991年 京都大学工学研究科化学工学専攻修士課程修了
1992年 京都大学工学部化学工学科・助手
1996年 京都大学大学院工学研究科化学工学専攻・助手
1997年 京都大学博士(工学)取得
2001年 京都大学大学院工学研究科・助教授
2006年〜 北海道大学大学院工学研究科・教授


5.お問い合わせ先
<本プレス発表の内容についての問い合わせ先>
  北海道大学大学院 工学研究科 有機プロセス工学専攻 教授 向井紳
  TEL: 011-706-6590   FAX: 011-706-6593
E-mail:メールアドレス
  研究室HP:http://mde-cp.eng.hokudai.ac.jp/index.html
<NEDO制度内容についての一般的な問い合せ先>
  NEDO 研究開発推進部 若手研究グラントグループ 松村,松ア,千田
  TEL:044-520-5174   FAX:044-520-5178
  個別事業HP:産業技術研究助成事業(若手研究グラント)


【提案書】
北海道大学大学院工学研究科からの提案
材料のポテンシャルを最大限に引き出す吸着剤・触媒・イオン交換体材料作製技術に関する提案





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