JP7302840B2 - Method for producing carbon dioxide storage-release material - Google Patents

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Description

本発明は、二酸化炭素を貯蔵(吸蔵)または放出できる二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a carbon dioxide storage-release material capable of storing (absorbing) or releasing carbon dioxide.

温室効果ガスである二酸化炭素を削減するにあたり、二酸化炭素を貯蔵する材料の開発が進められている。
二酸化炭素を貯蔵する材料としては、窒素ドープ炭素材料であり、25℃、1気圧で、二酸化炭素の吸着量が3.13mmol/gのものが知られている(例えば、非特許文献1参照)。
In order to reduce carbon dioxide, which is a greenhouse gas, the development of materials for storing carbon dioxide is underway.
As a material for storing carbon dioxide, a nitrogen-doped carbon material having a carbon dioxide adsorption amount of 3.13 mmol/g at 25° C. and 1 atm is known (see, for example, Non-Patent Document 1). .

Rapid Synthesis of Nitrogen-Doped Porous Carbon Monolith for CO2 Capture,Guang-Ping Hao,Wen-Cui Li,Dan Qian,and An-Hui Lu,Advanced Materials,2010,22,853-857.Rapid Synthesis of Nitrogen-Doped Porous Carbon Monolith for CO2 Capture, Guang-Ping Hao, Wen-Cui Li, Dan Qian, and An-Hui Lu, Advanced Materials, 2010, 22, 853 -857.

しかしながら、非特許文献1に記載の材料は、吸蔵時の二酸化炭素圧力を解放した後には、二酸化炭素を保持することができなかった。 However, the material described in Non-Patent Document 1 was unable to retain carbon dioxide after releasing the carbon dioxide pressure during storage.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、常温(15℃~25℃)、常圧(1気圧)以下で二酸化炭素を貯蔵することができる二酸化炭素貯蔵放出材料およびその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、吸蔵時の二酸化炭素圧力を解放しても二酸化炭素を保持することができ、50℃以上の加熱により二酸化炭素を放出した後、再び、二酸化炭素を吸蔵することができる二酸化炭素貯蔵放出材料およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a carbon dioxide storage-release material capable of storing carbon dioxide at normal temperature (15° C. to 25° C.) and normal pressure (1 atm) or less, and a method for producing the same. intended to provide In addition, the present invention is a carbon dioxide that can retain carbon dioxide even when the pressure of carbon dioxide during storage is released, and can store carbon dioxide again after releasing carbon dioxide by heating at 50 ° C. or higher. It is an object of the present invention to provide a carbon storage-release material and a method for producing the same.

[1]二次元ネットワークを有する二次元ホウ化水素含有シートから構成され、X線光電子分光分析において、ホウ素のB1sに由来する187.5eVおよび191.2eVにピークを示し、マグネシウムに由来するピークを示さないスペクトルを有する二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法であって、MgB 型構造の二ホウ化マグネシウムと、前記二ホウ化マグネシウムを構成するマグネシウムイオンとイオン交換可能な水素イオンを配位したイオン交換樹脂とを極性有機溶媒中で混合し、二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体を得る工程と、前記二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体を200℃~350℃で加熱処理する工程と、を有することを特徴とする二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法[1] Consisting of a two-dimensional borohydride-containing sheet having a two-dimensional network , showing peaks at 187.5 eV and 191.2 eV derived from boron B1s in X-ray photoelectron spectroscopy, and peaks derived from magnesium A method for producing a carbon dioxide storage-release material having a spectrum not shown, comprising: magnesium diboride of MgB 2 type structure ; and an exchange resin in a polar organic solvent to obtain a carbon dioxide storage-release material precursor; and a step of heat-treating the carbon dioxide storage-release material precursor at 200°C to 350°C. A method for producing a carbon dioxide storage-release material .

[2]前記二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、昇温脱離ガス分析と昇温前後の質量測定により算出されるホウ素と水素のモル比が1:1である(HB) (n≧4)からなる二次元ネットワークを有し、X線光電子分光分析において、負に帯電したホウ素のB1sに由来する188eV近傍にピークを示し、マグネシウムに由来するピークを示さないスペクトルを有し、電子線エネルギー損失分光において、ホウ素のsp2構造に由来する191eVにピークを示すスペクトルを有する[1]に記載の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法 [2] The carbon dioxide storage-release material precursor has a molar ratio of boron to hydrogen of 1:1 calculated by thermal desorption analysis and mass measurement before and after heating (HB) n (n 4 ), and in X-ray photoelectron spectroscopy analysis, it has a spectrum showing a peak in the vicinity of 188 eV derived from B1s of negatively charged boron and showing no peak derived from magnesium, and electron beam energy The method for producing a carbon dioxide storage-release material according to [1] , which has a spectrum showing a peak at 191 eV derived from the sp2 structure of boron in loss spectroscopy .

[3]前記イオン交換樹脂は、スルホ基を有する[1]または[2]に記載の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法。 [3] The method for producing a carbon dioxide storage-release material according to [1] or [2], wherein the ion exchange resin has a sulfo group .

[4]前記極性有機溶媒は、アセトニトリルまたはメタノールであ[1]~[3]のいずれかに記載の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法。 [4] The method for producing a carbon dioxide storage-release material according to any one of [1] to [3], wherein the polar organic solvent is acetonitrile or methanol .

本発明によれば、常温(15℃~25℃)、常圧(1気圧)以下で二酸化炭素を貯蔵することができる二酸化炭素貯蔵放出材料およびその製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、吸蔵時の二酸化炭素圧力を解放しても二酸化炭素を保持することができ、50℃以上の加熱により二酸化炭素を放出した後、再び、二酸化炭素を吸蔵することができる二酸化炭素貯蔵放出材料およびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a carbon dioxide storage-release material capable of storing carbon dioxide at normal temperature (15° C. to 25° C.) and normal pressure (1 atm) or lower, and a method for producing the same. Further, according to the present invention, carbon dioxide can be retained even when the pressure of carbon dioxide at the time of absorption is released, and after releasing carbon dioxide by heating at 50° C. or more, carbon dioxide can be absorbed again. It is possible to provide a carbon dioxide storage-release material and a method for manufacturing the same.

本発明の二酸化炭素貯蔵放出材料を構成する二次元ホウ素含有シートの分子構造を示す模式図であり、(a)がXY平面を示す図、(b)がYZ平面を示す図、(c)がZX平面を示す図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic diagram showing the molecular structure of a two-dimensional boron-containing sheet that constitutes the carbon dioxide storage-release material of the present invention, where (a) is a diagram showing the XY plane, (b) is a diagram showing the YZ plane, and (c) is a diagram showing the XY plane. It is a figure which shows ZX plane. 二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法に用いられる二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体の分子構造を示す模式図であり、(a)がXY平面を示す図、(b)がYZ平面を示す図、(c)がZX平面を示す図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram showing the molecular structure of a carbon dioxide storage-release material precursor used in a method for producing a carbon dioxide storage-release material, where (a) is a view showing the XY plane, (b) is a view showing the YZ plane, and (c). ) indicates the ZX plane. 実験例1におけるX線光電子分光分析の結果を示す図である。4 is a diagram showing the results of X-ray photoelectron spectroscopy in Experimental Example 1. FIG. 実験例2におけるX線光電子分光分析の結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of X-ray photoelectron spectroscopy in Experimental Example 2; 実験例3における電子線エネルギー損失分光の結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of electron beam energy loss spectroscopy in Experimental Example 3; 実験例3における電子線エネルギー損失分光の結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of electron beam energy loss spectroscopy in Experimental Example 3; 実験例4における昇温脱離ガス分析の結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of thermal desorption analysis in Experimental Example 4; 実験例5における可視・紫外分光分析の結果を示す図である。FIG. 11 shows the results of visible/ultraviolet spectroscopic analysis in Experimental Example 5. FIG. 実験例6におけるX線光電子分光分析の結果を示す図である。FIG. 11 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopy in Experimental Example 6. FIG. 実験例7における試料投入部内の圧力と二酸化炭素導入後の経過時間との関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the pressure inside the sample charging part and the elapsed time after introduction of carbon dioxide in Experimental Example 7; 実験例8における加熱処理後の生成物の二酸化炭素の吸着量と二酸化炭素の吸着回数との関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the carbon dioxide adsorption amount of the product after heat treatment and the number of carbon dioxide adsorptions in Experimental Example 8; 実験例9における加熱処理後の生成物の二酸化炭素の吸着量と試料投入部内へ導入する二酸化炭素の圧力との関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the amount of carbon dioxide adsorbed by the product after heat treatment and the pressure of carbon dioxide introduced into the sample inlet in Experimental Example 9;

本発明の二酸化炭素貯蔵放出材料およびその製造方法の実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
Embodiments of the carbon dioxide storage-release material and the method for producing the same of the present invention will be described.
It should be noted that the present embodiment is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the invention unless otherwise specified.

[二酸化炭素貯蔵放出材料]
本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料は、ホウ素と水素のモル比が6:5~3:1であるn(H)(n≧4、5/6≦x/y≦1/3)からなる二次元ネットワークを有する二次元ホウ化水素含有シートから構成される。すなわち、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料は、ホウ素原子(B)と水素原子(H)がモル比で6:5~3:1の割合で存在し、これら2つの原子のみから形成される二次元ネットワークを有する二次元ホウ化水素含有シートから構成されるシート状の材料である。
[Carbon dioxide storage and release material]
The carbon dioxide storage-release material of this embodiment has n(H x B y ) (n≧4, 5/6≦x/y≦1/3) with a molar ratio of boron to hydrogen of 6:5 to 3:1 ) consisting of a two-dimensional borohydride-containing sheet with a two-dimensional network consisting of That is, the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment contains boron atoms (B) and hydrogen atoms (H) in a molar ratio of 6:5 to 3:1, and is formed only from these two atoms. It is a sheet-like material composed of two-dimensional borohydride-containing sheets with a two-dimensional network.

本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料において、ホウ素原子(B)と水素原子(H)の割合(モル比)は、後述する昇温脱離ガス分析と昇温前後の質量測定により算出される。 In the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, the ratio (molar ratio) of boron atoms (B) and hydrogen atoms (H) is calculated by temperature-programmed desorption gas analysis and mass measurement before and after heating, which will be described later.

また、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料を構成する二次元ホウ化水素含有シートは、X線光電子分光分析において、ホウ素のB1sに由来する187.5eVおよび191.2eVにピークを示し、マグネシウムに由来するピークを示さないスペクトルを有する。 In addition, the two-dimensional borohydride-containing sheet constituting the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment shows peaks at 187.5 eV and 191.2 eV derived from B1s of boron in X-ray photoelectron spectroscopy, and magnesium It has a spectrum showing no originating peaks.

本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料において、X線光電子分光分析について、後述する。 X-ray photoelectron spectroscopic analysis of the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment will be described later.

本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料を構成する二次元ホウ化水素含有シートは、図1に示すように、ホウ素原子(B)が、ベンゼン環のような六角形の環状に配列するとともに、その六角形の頂点に存在しており、ホウ素原子(B)によって形成される六角形が隙間なく連接して、網目状の面構造(二次元ネットワーク)をなしている。さらに、本実施形態における二次元ホウ化水素含有シートは、図1に示すように、六角形を形成するホウ素原子(B)に水素原子(H)が特定の周期的な規則性を持たずかつ凝集することなく無作為に結合している。
本実施形態における二次元ホウ化水素含有シートにおいて、ホウ素原子(B)によって形成される六角形の網目状とは、例えば、ハニカム状のことを言う。
In the two-dimensional borohydride-containing sheet constituting the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, as shown in FIG. 1, boron atoms (B) are arranged in a hexagonal ring like a benzene ring, and the It exists at the vertexes of hexagons, and hexagons formed by boron atoms (B) are connected without gaps to form a mesh-like surface structure (two-dimensional network). Furthermore, the two-dimensional borohydride-containing sheet in the present embodiment, as shown in FIG. Randomly bound without agglomeration.
In the two-dimensional borohydride-containing sheet of the present embodiment, the hexagonal mesh formed by boron atoms (B) means, for example, a honeycomb shape.

本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料は、ホウ素原子(B)と水素原子(H)からなる二次元ネットワークを有する薄膜状の物質である。また、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料は、後述する本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法に用いられる二ホウ化マグネシウムに由来するマグネシウム原子、または、その他の金属原子をほとんど含まない。
本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料において、上記の二次元ホウ化水素含有シートの網目状の面構造を形成するホウ素原子(B)と水素原子(H)の総数は、1000個以上である。
The carbon dioxide storage-release material of this embodiment is a thin-film substance having a two-dimensional network composed of boron atoms (B) and hydrogen atoms (H). In addition, the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment contains almost no magnesium atoms derived from magnesium diboride used in the method for producing the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, which will be described later, or other metal atoms. .
In the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, the total number of boron atoms (B) and hydrogen atoms (H) forming the network surface structure of the two-dimensional borohydride-containing sheet is 1000 or more.

図1(a)に示す、隣り合う2つのホウ素原子(B)間の結合距離dは、0.170nm~0.185nmである。 The bond distance d1 between two adjacent boron atoms (B) shown in FIG. 1(a) is 0.170 nm to 0.185 nm.

本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料の厚さは、0.5nm~10nmである。
本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料を構成する二次元ホウ化水素含有シートにおいて、少なくとも一方向の長さ(例えば、図1(a)においてX方向またはY方向の長さ)が100nm以上であることが好ましい。本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料において、二次元ホウ化水素含有シートの少なくとも一方向の長さが100nm以上であれば、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料は、二酸化炭素貯蔵放出材料として有効に利用することができる。
本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料の大きさ(面積)は、特に限定されず、後述する本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法によって、任意の大きさに形成することができる。
The thickness of the carbon dioxide storage-release material of this embodiment is 0.5 nm to 10 nm.
In the two-dimensional borohydride-containing sheet constituting the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, the length in at least one direction (for example, the length in the X direction or Y direction in FIG. 1(a)) is 100 nm or more. is preferred. In the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, if the two-dimensional borohydride-containing sheet has a length of 100 nm or more in at least one direction, the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment is effective as a carbon dioxide storage-release material. can be used for
The size (area) of the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment is not particularly limited, and can be formed to any size by the method for producing the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, which will be described later.

本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料を構成する二次元ホウ化水素含有シートは、酸化物で終端されていてもよい。すなわち、本実施形態における二次元水素化ホウ素含有シートは、その分子構造の末端が酸化物を形成していてもよい。本実施形態における二次元水素化ホウ素含有シートの分子構造の末端をなす酸化物としては、例えば、ホウ酸(B(OH))や酸化ホウ素(B)が挙げられる。本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料を構成する二次元ホウ化水素含有シートは、酸化物で終端されることにより、より安定な分子構造を形成する。 The two-dimensional borohydride-containing sheet that constitutes the carbon dioxide storage-release material of this embodiment may be terminated with an oxide. That is, the two-dimensional borohydride-containing sheet in the present embodiment may form an oxide at the end of its molecular structure. Examples of the oxide forming the ends of the molecular structure of the two-dimensional borohydride-containing sheet in the present embodiment include boric acid (B(OH) 3 ) and boron oxide (B 2 O 3 ). The two-dimensional borohydride-containing sheet that constitutes the carbon dioxide storage-release material of this embodiment forms a more stable molecular structure by being terminated with an oxide.

本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料を構成する二次元ホウ化水素含有シートは、結晶構造を有する物質である。また、本実施形態における二次元水素化ホウ素含有シートでは、六角形の環を形成するホウ素原子(B)間、および、ホウ素原子(B)と水素原子(H)の間の結合力が強い。そのため、本実施形態における二次元水素化ホウ素含有シートは、製造時に複数積層されてなる結晶(凝集体)を形成したとしても、グラファイトと同様に結晶面に沿って容易に劈開し、単層の二次元シートとして分離(回収)することができる。 The two-dimensional borohydride-containing sheet constituting the carbon dioxide storage-release material of this embodiment is a substance having a crystal structure. In addition, in the two-dimensional borohydride-containing sheet of the present embodiment, the bonding strength between the boron atoms (B) forming the hexagonal rings and between the boron atoms (B) and the hydrogen atoms (H) is strong. Therefore, even if the two-dimensional borohydride-containing sheet in the present embodiment forms a crystal (aggregate) in which a plurality of layers are laminated during production, it is easily cleaved along the crystal plane like graphite, and a single layer is formed. It can be separated (collected) as a two-dimensional sheet.

本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料によれば、昇温脱離ガス分析と昇温前後の質量測定により算出されるホウ素と水素のモル比が6:5~3:1であるn(H)(n≧4、5/6≦x/y≦1/3)からなる二次元ネットワークを有する二次元ホウ化水素含有シートから構成され、X線光電子分光分析において、ホウ素のB1sに由来する187.5eVおよび191.2eVにピークを示し、マグネシウムに由来するピークを示さないスペクトルを有するため、常温、常圧以下で二酸化炭素を貯蔵することができる。また、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料によれば、吸蔵時の二酸化炭素圧力を解放しても二酸化炭素を保持することができ、50℃以上の加熱により二酸化炭素を放出した後、再び、二酸化炭素を吸蔵することができるすなわち、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料によれば、二酸化炭素を繰り返し、貯蔵または放出することができる。 According to the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, n(H x B y ) (n≧4, 5/6≦x/y≦1/3), composed of a two-dimensional borohydride-containing sheet having a two-dimensional network, and derived from B1s of boron in X-ray photoelectron spectroscopy. Since it has a spectrum that shows peaks at 187.5 eV and 191.2 eV and does not show a peak derived from magnesium, carbon dioxide can be stored at room temperature and pressure below normal temperature. In addition, according to the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, carbon dioxide can be retained even when the carbon dioxide pressure at the time of absorption is released, and after releasing carbon dioxide by heating at 50 ° C. or higher, According to the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, carbon dioxide can be stored or released repeatedly.

本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料は、常温、常圧以下で、分子状態の二酸化炭素(二酸化炭素分子がそのままの形で存在しているもの)を貯蔵(吸蔵)することができる。本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料では、二酸化炭素貯蔵放出材料に含まれるホウ素原子に、二酸化炭素の酸素原子が結合して、二酸化炭素を貯蔵していると考えられる。そして、二酸化炭素を貯蔵(吸蔵)した、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料を50℃以上に加熱することにより、貯蔵(吸蔵)した二酸化炭素を放出することができる。すなわち、二酸化炭素を貯蔵(吸蔵)した、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料を50℃以上に加熱しなければ、半永久的に、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料は二酸化炭素を貯蔵することができる。従って、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料は、二酸化炭素を貯蔵(吸蔵)して、大気中の二酸化炭素の削減に寄与することができる。 The carbon dioxide storage-release material of the present embodiment can store (occlude) carbon dioxide in a molecular state (where carbon dioxide molecules are present as they are) at normal temperature and normal pressure or less. In the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, it is considered that carbon dioxide is stored by binding oxygen atoms of carbon dioxide to boron atoms contained in the carbon dioxide storage-release material. Then, by heating the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment in which carbon dioxide is stored (occluded) to 50° C. or higher, the stored (occluded) carbon dioxide can be released. That is, unless the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment that stores (occludes) carbon dioxide is heated to 50° C. or higher, the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment stores carbon dioxide semipermanently. can be done. Therefore, the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment can store (absorb) carbon dioxide and contribute to the reduction of carbon dioxide in the atmosphere.

なお、貯蔵(吸蔵)した二酸化炭素を放出するために、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料を加熱する温度は、300℃以下であることが好ましい。二酸化炭素貯蔵放出材料を加熱する温度が300℃を超えると、二酸化炭素貯蔵能を減少させる構造(X線光電子分光分析において、ホウ素のB1sに由来する187.5eVと191.2eV以外にも188.6eVにピークを持つ構造)に変化するため、貯蔵(吸蔵)した二酸化炭素を放出するために、二酸化炭素貯蔵放出材料を加熱する温度は、300℃以下であることが好ましい。 In order to release the stored (occluded) carbon dioxide, the temperature at which the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment is heated is preferably 300° C. or less. When the temperature for heating the carbon dioxide storage-release material exceeds 300 ° C., the structure that reduces the carbon dioxide storage capacity (188. structure having a peak at 6 eV), the temperature at which the carbon dioxide storage-release material is heated to release the stored (occluded) carbon dioxide is preferably 300° C. or less.

また、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料が、二酸化炭素を貯蔵(吸蔵)している場合、その二酸化炭素貯蔵放出材料を水や、アミン等のアルカリ性水溶液で洗浄して、その水やアルカリ性水溶液に二酸化炭素を溶解(吸収)させることにより、二酸化炭素を放出することができる。このように、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料は、貯蔵(吸蔵)した二酸化炭素を、水やアルカリ性水溶液に溶解(吸収)させることにより、二酸化炭素を繰り返し、貯蔵または放出することもできる。 Further, when the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment stores (occludes) carbon dioxide, the carbon dioxide storage-release material is washed with water or an alkaline aqueous solution such as an amine, and the water or the alkaline aqueous solution is washed. Carbon dioxide can be released by dissolving (absorbing) carbon dioxide in . Thus, the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment can repeatedly store or release carbon dioxide by dissolving (absorbing) the stored (absorbed) carbon dioxide in water or an alkaline aqueous solution.

[二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法]
本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法は、MgB型構造の二ホウ化マグネシウムと、二ホウ化マグネシウムを構成するマグネシウムイオンとイオン交換可能なイオンを配位したイオン交換樹脂とを極性有機溶媒中で混合し、二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体を得る工程(以下、「第1の工程」と言う。)と、二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体を200℃~350℃で加熱処理する工程(以下、「第2の工程」と言う。)と、を有する方法である。
[Method for producing carbon dioxide storage-release material]
In the method for producing a carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, a polar A step of mixing in an organic solvent to obtain a carbon dioxide storage-release material precursor (hereinafter referred to as “first step”); and a step of heat-treating the carbon dioxide storage-release material precursor at 200°C to 350°C. (hereinafter referred to as a “second step”).

本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法では、MgB型構造の二ホウ化マグネシウムと、二ホウ化マグネシウムを構成するマグネシウムイオンとイオン交換可能なイオンを配位したイオン交換樹脂とを極性有機溶媒中で混合し、二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体を得る(第1の工程)。 In the method for producing a carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, a polar Mix in an organic solvent to obtain a carbon dioxide storage-release material precursor (first step).

二ホウ化マグネシウムを構成するマグネシウムイオンとイオン交換可能なイオンを配位したイオン交換樹脂としては、特に限定されないが、例えば、二ホウ化マグネシウムを構成するマグネシウムイオンとイオン交換可能なイオンを配位した官能基(以下、「官能基α」と言う。)を有するスチレンの重合体、官能基αを有するジビニルベンゼンの重合体、官能基αを有するスチレンと官能基αを有するジビニルベンゼンの共重合体等が挙げられる。
官能基αとしては、例えば、スルホ基、カルボキシル基等が挙げられる。これらの中でも、極性有機溶媒中にて、容易に二ホウ化マグネシウムを構成するマグネシウムイオンとのイオン交換を行うことができることから、スルホ基が好ましい。
The ion-exchange resin in which magnesium ions constituting magnesium diboride and ion-exchangeable ions are coordinated is not particularly limited. styrene polymer having a functional group α (hereinafter referred to as "functional group α"), divinylbenzene polymer having a functional group α, copolymerization of styrene having a functional group α and divinylbenzene having a functional group α A coalescence etc. are mentioned.
Examples of the functional group α include a sulfo group and a carboxyl group. Among these, a sulfo group is preferable because it can easily exchange ions with magnesium ions constituting magnesium diboride in a polar organic solvent.

極性有機溶媒としては、特に限定されず、例えば、アセトニトリル、N,N-ジメチルホルムアミド、メタノール等が挙げられる。これらの中でも、酸素を含んでいない点からアセトニトリルが好ましい。
なお、二ホウ化マグネシウムは、極性有機溶媒中にて、容易にイオン交換樹脂とのイオン交換を行うことができる。
The polar organic solvent is not particularly limited, and examples thereof include acetonitrile, N,N-dimethylformamide, methanol and the like. Among these, acetonitrile is preferable because it does not contain oxygen.
Magnesium diboride can be easily ion-exchanged with an ion-exchange resin in a polar organic solvent.

第1の工程では、極性有機溶媒に二ホウ化マグネシウムとイオン交換樹脂を投入し、極性有機溶媒、二ホウ化マグネシウムおよびイオン交換樹脂を含む混合溶液を撹拌し、二ホウ化マグネシウムとイオン交換樹脂を充分に接触させる。これにより、二ホウ化マグネシウムを構成するマグネシウムイオンと、イオン交換樹脂の官能基αのイオンとがイオン交換して、ホウ素原子と、イオン交換樹脂の官能基αに由来する原子によって形成される二次元ネットワークを有するシート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体が生成する。 In the first step, magnesium diboride and an ion-exchange resin are added to a polar organic solvent, the mixed solution containing the polar organic solvent, magnesium diboride and the ion-exchange resin is stirred, and magnesium diboride and the ion-exchange resin are are in full contact. As a result, magnesium ions constituting magnesium diboride and ions of the functional group α of the ion-exchange resin are ion-exchanged to form a boron atom and an atom derived from the functional group α of the ion-exchange resin. A sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor with a dimensional network is produced.

イオン交換樹脂としてスルホ基を有するイオン交換樹脂を用いれば、二ホウ化マグネシウムのマグネシウムイオン(Mg)と、イオン交換樹脂のスルホ基の水素イオン(H)とが置換して、上述のようなホウ素原子(B)と水素原子(H)からなる二次元ネットワークを有するシート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体が生成する。 When an ion-exchange resin having a sulfo group is used as the ion-exchange resin, magnesium ions (Mg + ) of magnesium diboride are substituted with hydrogen ions (H + ) of the sulfo group of the ion-exchange resin. A sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor having a two-dimensional network of boron atoms (B) and hydrogen atoms (H) is produced.

第1の工程では、混合液に超音波等を加えることなく、二ホウ化マグネシウムを構成するマグネシウムイオンと、イオン交換樹脂の官能基αのイオンとがイオン交換する反応を、穏やかに進めることが好ましい。 In the first step, without applying ultrasonic waves or the like to the mixed solution, the reaction of ion exchange between the magnesium ions constituting magnesium diboride and the ions of the functional group α of the ion exchange resin can be gently proceeded. preferable.

混合溶液を撹拌する際、混合溶液の温度は、15℃~35℃であることが好ましい。
混合溶液を撹拌する時間は、特に限定されないが、例えば、700分~7000分とする。
When stirring the mixed solution, the temperature of the mixed solution is preferably 15°C to 35°C.
The time for stirring the mixed solution is not particularly limited, but is, for example, 700 minutes to 7000 minutes.

また、第1の工程は、窒素(N)やアルゴン(Ar)等の不活性ガスからなる不活性雰囲気下で行う。 Also, the first step is performed under an inert atmosphere of an inert gas such as nitrogen (N 2 ) or argon (Ar).

次いで、撹拌が終了した混合溶液を濾過する。
混合溶液の濾過方法は、特に限定されず、例えば、自然濾過、減圧濾過、加圧濾過、遠心濾過等の方法が用いられる。また、濾材としては、例えば、セルロースを基材とする濾紙、メンブレンフィルター、セルロースやグラスファイバー等を圧縮成型した濾過板等が用いられる。
Next, the mixed solution after stirring is filtered.
The method for filtering the mixed solution is not particularly limited, and for example, methods such as natural filtration, vacuum filtration, pressure filtration, and centrifugal filtration are used. As the filter medium, for example, a filter paper having cellulose as a base material, a membrane filter, a filter plate formed by compressing cellulose, glass fiber, or the like, and the like are used.

濾過により沈殿物と分離されて回収された生成物を含む溶液を、自然乾燥するか、または、加熱により乾燥することにより、最終的に生成物のみを得る。
この生成物は、ホウ素原子と、イオン交換樹脂の官能基αに由来する原子(水素:H)によって形成される二次元ネットワークを有するシート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体である。
The solution containing the product separated from the precipitate by filtration is air-dried or dried by heating to finally obtain only the product.
This product is a sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor having a two-dimensional network formed by boron atoms and atoms (hydrogen: H) derived from the functional group α of the ion exchange resin.

本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法によって得られた、生成物の分析方法としては、例えば、X線光電子分光分析法(X-ray Photoelectron Spectroscopy、XPS)、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope、TEM)および透過型電子顕微鏡内で行うエネルギー分散型X線分析(Energy dispersive X-ray Spectroscopy、EDS)と電子エネルギー損失分光(Electron energy loss Spectroscopy、EELS)による観察等が挙げられる。 Methods for analyzing the product obtained by the method for producing the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment include, for example, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Transmission Electron Microscopy. Microscope, TEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and electron energy loss spectroscopy (EELS) performed in a transmission electron microscope.

X線光電子分光分析法(XPS)では、例えば、日本電子(JEOL)社製のX線光電子分光分析装置(商品名:JPS9010TR)を用いて、生成物の表面にX線を照射し、そのときに生じる光電子のエネルギーを測定することによって、生成物の構成元素とその電子状態を分析する。この分析において、原料の二ホウ化マグネシウムを構成するマグネシウムに起因する光電子のエネルギーがほとんど検出されず、ホウ素と上記のイオン交換樹脂の官能基αに由来する元素に起因する光電子のエネルギーのみが検出されれば、生成物はホウ素と上記のイオン交換樹脂の官能基αに由来する元素(水素:H)のみから構成されていると言える。X線光電子分光分析法による分析により、原料の二ホウ化マグネシウムを構成するマグネシウムに起因する光電子のエネルギーがほとんど検出されず、ホウ素と水素に起因する光電子のエネルギーのみが検出されれば、生成物はホウ素と水素のみから構成されていると言える。 In the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), for example, an X-ray photoelectron spectroscopy analyzer (trade name: JPS9010TR) manufactured by JEOL is used to irradiate the surface of the product with X-rays. The constituent elements of the product and their electronic states are analyzed by measuring the energy of the photoelectrons generated in . In this analysis, almost no photoelectron energy due to magnesium constituting the raw material magnesium diboride was detected, and only the photoelectron energy due to elements derived from boron and the functional group α of the ion exchange resin was detected. If so, it can be said that the product is composed only of boron and an element (hydrogen: H) derived from the functional group α of the ion exchange resin. By X-ray photoelectron spectroscopy analysis, almost no photoelectron energy due to magnesium constituting the raw material magnesium diboride is detected, and if only photoelectron energy due to boron and hydrogen is detected, the product is composed only of boron and hydrogen.

透過型電子顕微鏡(TEM)による観察では、例えば、日本電子(JEOL)社製の透過型電子顕微鏡(商品名:JEM-2100F TEM/STEM)を用いて、生成物を観察することにより、生成物の形状(外観)等を分析する。この分析において、膜状(シート状)の物質が観察されれば、生成物は二次元的なシート状の物質であると言える。透過型電子顕微鏡内において、エネルギー分散型X線分析(EDS)を行うことにより、生成物のTEM観察した部位における金属元素の存在の有無を観察できる。この分析において、原料の二ホウ化マグネシウムを構成するマグネシウムに起因するX線のエネルギーがほとんど検出されず、マグネシウム(Mg)のピークが現われなければ、マグネシウムが存在しないと言える。また、透過型電子顕微鏡内において、電子エネルギー損失分光(EELS)を行うことにより、生成物のTEM観察した部位における構成元素を観察できる。この分析において、ホウ素と上記のイオン交換樹脂の官能基αに由来する元素(水素:H)に起因するX線エネルギーのみが検出されれば、生成物はホウ素と上記のイオン交換樹脂の官能基αに由来する元素(水素:H)のみから構成されていると言える。 In observation with a transmission electron microscope (TEM), for example, by observing the product using a transmission electron microscope manufactured by JEOL (trade name: JEM-2100F TEM / STEM), the product Analyze the shape (appearance), etc. If a membranous (sheet-like) substance is observed in this analysis, it can be said that the product is a two-dimensional sheet-like substance. By performing energy dispersive X-ray analysis (EDS) in a transmission electron microscope, it is possible to observe the presence or absence of metal elements in the TEM-observed portion of the product. In this analysis, almost no X-ray energy due to magnesium constituting the raw material magnesium diboride is detected, and if no peak of magnesium (Mg) appears, it can be said that magnesium does not exist. Further, by conducting electron energy loss spectroscopy (EELS) in a transmission electron microscope, the constituent elements in the TEM observed portion of the product can be observed. In this analysis, if only the X-ray energy due to the element (hydrogen: H) derived from boron and the functional group α of the ion exchange resin is detected, the product is boron and the functional group of the ion exchange resin It can be said that it is composed only of elements (hydrogen: H) derived from α.

本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法の第1の工程で得られた、シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、ホウ素と水素のモル比が1:1である(HB)(n≧4)からなる二次元ネットワークを有するシート状の材料である。すなわち、シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、ホウ素原子(B)と水素原子(H)がモル比で1:1の割合で存在し、これら2つの原子のみから形成される二次元ネットワークを有するシート状の材料である。 The sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor obtained in the first step of the method for producing a carbon dioxide storage-release material of the present embodiment has a molar ratio of boron to hydrogen of 1:1 (HB) n It is a sheet-shaped material having a two-dimensional network consisting of (n≧4). That is, in the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor, boron atoms (B) and hydrogen atoms (H) are present in a molar ratio of 1:1, and a two-dimensional network formed only from these two atoms. It is a sheet-shaped material having

シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体において、ホウ素原子(B)と水素原子(H)の割合(モル比)は、後述する昇温脱離ガス分析と昇温前後の質量測定により算出される。 In the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor, the ratio (molar ratio) of boron atoms (B) and hydrogen atoms (H) is calculated by temperature-programmed desorption gas analysis and mass measurement before and after heating, which will be described later. .

また、シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、X線光電子分光分析において、負に帯電したホウ素のB1sに由来する188eV近傍にピークを示し、マグネシウムに由来するピークを示さないスペクトルを有する。 In addition, the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor has a spectrum in X-ray photoelectron spectroscopy that shows a peak in the vicinity of 188 eV derived from B1s of negatively charged boron and does not show a peak derived from magnesium.

また、シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、電子線エネルギー損失分光において、ホウ素のsp2構造に由来する191eVにピークを示すスペクトルを有する。 In addition, the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor has a spectrum showing a peak at 191 eV derived from the sp2 structure of boron in electron beam energy loss spectroscopy.

シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体において、電子線エネルギー損失分光について、後述する。 Electron beam energy loss spectroscopy for a sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor will be described later.

シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、図2に示すように、ホウ素原子(B)が、ベンゼン環のような六角形の環状に配列するとともに、その六角形の頂点に存在しており、ホウ素原子(B)によって形成される六角形が隙間なく連接して、網目状の面構造(二次元ネットワーク)をなしている。さらに、シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、図2に示すように、ホウ素原子(B)のうち隣接する2つが同一の水素原子(H)と結合する部位を有する。シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体において、ホウ素原子(B)によって形成される六角形の網目状とは、例えば、ハニカム状のことを言う。 In the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor, as shown in FIG. 2, boron atoms (B) are arranged in a hexagonal ring like a benzene ring and are present at the vertices of the hexagon. , and the hexagons formed by the boron atoms (B) are connected without gaps to form a mesh-like planar structure (two-dimensional network). Furthermore, the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor has sites where two adjacent boron atoms (B) are bonded to the same hydrogen atom (H), as shown in FIG. In the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor, the hexagonal mesh formed by boron atoms (B) means, for example, a honeycomb shape.

シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、ホウ素原子(B)と水素原子(H)からなる二次元ネットワークを有する薄膜状の物質である。また、シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法に用いられる二ホウ化マグネシウムに由来するマグネシウム原子、または、その他の金属原子をほとんど含まない。
シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体において、上記の網目状の面構造を形成するホウ素原子(B)と水素原子(H)の総数は、1000個以上である。
A sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor is a thin film-like substance having a two-dimensional network composed of boron atoms (B) and hydrogen atoms (H). In addition, the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor hardly contains magnesium atoms derived from magnesium diboride used in the method for producing the carbon dioxide storage-release material or other metal atoms.
In the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor, the total number of boron atoms (B) and hydrogen atoms (H) forming the network surface structure is 1000 or more.

図2(a)に示す、隣り合う2つのホウ素原子(B)間の結合距離Dは、0.17nm~0.18nmである。また、図2(b)に示す、1つの水素原子(H)を介して、隣り合う2つのホウ素原子(B)間の結合距離Dは、0.17nm~0.18nmである。また、図2(b)に示す、隣り合うホウ素原子(B)と水素原子(H)間の結合距離Dは、0.125nm~0.135nmである。 The bond distance D1 between two adjacent boron atoms (B) shown in FIG. 2(a) is 0.17 nm to 0.18 nm. Also, the bond distance D2 between two adjacent boron atoms (B) through one hydrogen atom (H) shown in FIG. 2(b) is 0.17 nm to 0.18 nm. Also, the bond distance D3 between the adjacent boron atom (B) and hydrogen atom (H) shown in FIG. 2(b) is 0.125 nm to 0.135 nm.

シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体の厚さは、0.23nm~0.50nmである。
シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体において、少なくとも一方向の長さ(例えば、図2(a)においてX方向またはY方向の長さ)が100nm以上であることが好ましい。
シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体の大きさ(面積)は、特に限定されず、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法の第1の工程によって、任意の大きさに形成することができる。
The thickness of the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor is 0.23 nm to 0.50 nm.
In the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor, the length in at least one direction (for example, the length in the X direction or the Y direction in FIG. 2(a)) is preferably 100 nm or more.
The size (area) of the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor is not particularly limited, and the carbon dioxide storage-release material precursor can be formed to an arbitrary size by the first step of the method for producing a carbon dioxide storage-release material of the present embodiment. can be done.

シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、酸化物で終端されていてもよい。すなわち、シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、その分子構造の末端が酸化物を形成していてもよい。シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体の分子構造の末端をなす酸化物としては、例えば、ホウ酸(B(OH))や酸化ホウ素(B)が挙げられる。シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、酸化物で終端されることにより、より安定な分子構造を形成する。 The sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor may be oxide terminated. That is, the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor may form an oxide at the end of its molecular structure. Examples of the oxide forming the ends of the molecular structure of the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor include boric acid (B(OH) 3 ) and boron oxide (B 2 O 3 ). The sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor is terminated with an oxide to form a more stable molecular structure.

シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、結晶構造を有する物質である。また、シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体では、六角形の環を形成するホウ素原子(B)間、および、ホウ素原子(B)と水素原子(H)の間の結合力が強い。そのため、シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、製造時に複数積層されてなる結晶(凝集体)を形成したとしても、グラファイトと同様に結晶面に沿って容易に劈開し、単層の二次元シートとして分離(回収)することができる。 A sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor is a substance having a crystalline structure. Moreover, in the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor, the bonding strength between the boron atoms (B) forming the hexagonal rings and between the boron atoms (B) and the hydrogen atoms (H) is strong. Therefore, even if the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor forms a crystal (aggregate) in which a plurality of layers are laminated during manufacturing, it can be easily cleaved along the crystal plane like graphite to form two monolayers. It can be separated (collected) as a dimensional sheet.

次いで、シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体を200℃~350℃で加熱処理し、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料を得る(第2の工程)。 Next, the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor is heat-treated at 200° C. to 350° C. to obtain the carbon dioxide storage-release material of the present embodiment (second step).

第2の工程では、シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体を加熱処理する時間は、特に限定されないが、例えば、5分~1200分とする。 In the second step, the time for heat-treating the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor is not particularly limited, but is, for example, 5 minutes to 1200 minutes.

また、第2の工程は、真空下、または、窒素(N)やアルゴン(Ar)等の不活性ガスからなる不活性雰囲気下で行う。 Also, the second step is performed under vacuum or under an inert atmosphere comprising an inert gas such as nitrogen (N 2 ) or argon (Ar).

本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法によれば、ホウ素原子と、イオン交換樹脂の官能基αに由来する原子(水素:H)によって形成される二次元ネットワークを有する二次元ホウ素化合物含有シートから構成される二酸化炭素貯蔵放出材料を容易に生成することができる。
なお、原料のMgB型構造の二ホウ化マグネシウムの大きな結晶を用いることにより、より大面積のシート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体を得ることができる。その結果として、より大面積のシート状の二酸化炭素貯蔵放出材料を得ることができる。
According to the method for producing a carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, a two-dimensional boron compound having a two-dimensional network formed by boron atoms and atoms (hydrogen: H) derived from the functional group α of the ion exchange resin is contained. A carbon dioxide storage-release material composed of sheets can be readily produced.
By using large crystals of magnesium diboride having a MgB 2 type structure as a raw material, a sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor having a larger area can be obtained. As a result, a sheet-like carbon dioxide storage-release material having a larger area can be obtained.

また、本実施形態の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法によれば、シート状の二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体を形成する第1の工程において、二ホウ化マグネシウムを構成するマグネシウムイオンと、イオン交換樹脂の官能基αのイオンとをイオン交換させるために酸性溶液を用いずに、極性有機溶媒を用いるため、極性有機溶媒、二ホウ化マグネシウムおよびイオン交換樹脂を含む混合溶液のpHの調整が不要である。 Further, according to the method for producing a carbon dioxide storage-release material of the present embodiment, in the first step of forming the sheet-like carbon dioxide storage-release material precursor, magnesium ions constituting magnesium diboride and ion exchange Since a polar organic solvent is used instead of an acidic solution for ion exchange with the ions of the functional group α of the resin, there is no need to adjust the pH of the mixed solution containing the polar organic solvent, magnesium diboride and ion exchange resin. is.

以下、実験例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実験例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to experimental examples, but the present invention is not limited to the following experimental examples.

[実験例1]
二ホウ化マグネシウム(レアメタリック社製)のX線光電子分光(XPS)分析を行った。
X線光電子分光分析の分析装置として、日本電子(JEOL)社製のX線光電子分光分析装置(商品名:JPS9010TR)を用いた。X線光電子分光分析の結果を図3に示す。
[Experimental example 1]
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of magnesium diboride (manufactured by Rare Metallic Co., Ltd.) was performed.
As an analyzer for X-ray photoelectron spectroscopy, an X-ray photoelectron spectroscopy analyzer (trade name: JPS9010TR) manufactured by JEOL was used. FIG. 3 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopic analysis.

[実験例2]
アセトニトリルに、二ホウ化マグネシウム(純度:99%、レアメタリック社製)60mgを加えるとともに、スルホ基を有するイオン交換樹脂(アンバーライト(登録商標)IR120B、オルガノ社製)を体積で30mL加えて、ガラス棒で撹拌し、二ホウ化マグネシウムとイオン交換樹脂の混合溶液を調製した。
この混合溶液を25℃にて72時間撹拌した後、この混合溶液を、孔径1.0μmのメンブレンフィルターで濾過し、濾液を回収した。その後、窒素雰囲気下、ホットプレートを用いて、80℃にて濾液を乾燥させて、生成物を得た。
得られた生成物について、実験例1と同様にして、X線光電子分光分析を行った。結果を図4に示す。
[Experimental example 2]
60 mg of magnesium diboride (purity: 99%, manufactured by Rare Metallic Co., Ltd.) is added to acetonitrile, and an ion-exchange resin having a sulfo group (Amberlite (registered trademark) IR120B, manufactured by Organo Corporation) is added in a volume of 30 mL, A mixed solution of magnesium diboride and an ion exchange resin was prepared by stirring with a glass rod.
After stirring this mixed solution at 25° C. for 72 hours, this mixed solution was filtered through a membrane filter with a pore size of 1.0 μm, and the filtrate was collected. Then, the filtrate was dried at 80° C. using a hot plate under a nitrogen atmosphere to obtain a product.
The obtained product was subjected to X-ray photoelectron spectroscopic analysis in the same manner as in Experimental Example 1. The results are shown in FIG.

図3の結果において、51.3eVにマグネシウムのMg2pのピーク、188.2eVにホウ素のB1sのピーク、193.2eVに二ホウ化マグネシウム(MgB)の表面を覆っている酸化ホウ素(B)のピークが現われている。これは、典型的な市販のMgBのX線光電子分光分析の結果と一致する。
図4の結果から、図3にて現われていたMg2pのピークが観測されなかったことから、実験例2の生成物には、マグネシウム(Mg)が存在しておらず、ホウ素(B)を含んでいることが分かった。なお、図4において、193.2eVに現われている小さなピークは、副生生物のホウ酸のピークである。この結果は、二ホウ化マグネシウム(MgB)のMgイオンとイオン交換樹脂のスルホ基の水素イオンがイオン交換したことを示唆している。
In the results of FIG. 3, the Mg2p peak of magnesium at 51.3 eV, the B1s peak of boron at 188.2 eV, and the boron oxide (B 2 O) covering the surface of magnesium diboride (MgB 2 ) at 193.2 eV. 3 ) peak appears. This is consistent with the X-ray photoelectron spectroscopy results of typical commercial MgB2 .
From the results of FIG. 4, the Mg2p peak that appeared in FIG. 3 was not observed, so the product of Experimental Example 2 did not contain magnesium (Mg) and contained boron (B). I found out that I was In FIG. 4, the small peak appearing at 193.2 eV is the peak of boric acid as a by-product. This result suggests that the Mg ion of magnesium diboride (MgB 2 ) and the hydrogen ion of the sulfo group of the ion exchange resin exchanged ions.

[実験例3]
実験例2で得た生成物について、日本電子(JEOL)社製の走査型透過電子顕微鏡(STEM)(商品名:JEM-2100F TEM/STEM)による観察および電子線エネルギー損失分光を行った。この生成物に関する電子線エネルギー損失分光の結果を図5と図6に示す。図5に示すように、ホウ素(B)のsp2構造を示す191eVの電子線エネルギー損失分光のピークが観測され、炭素(C)、窒素(N)および酸素(O)に起因するピークが観測されなかったことから、シート状の物質は、sp2構造を有するホウ素のみで構成されていることが分かった。また、図6の結果から、マグネシウム(Mg)に起因するピークが観測されなかったことから、シート状の物質は、ホウ素のみで構成されていることが分かった。なお、図6において、酸素(O)、硫黄(S)、銅(Cu)等に起因するピークが観測されているが、これは高感度測定によるノイズである。
[Experimental example 3]
The product obtained in Experimental Example 2 was observed with a scanning transmission electron microscope (STEM) manufactured by JEOL (trade name: JEM-2100F TEM/STEM) and subjected to electron beam energy loss spectroscopy. Electron beam energy loss spectroscopy results for this product are shown in FIGS. As shown in FIG. 5, an electron beam energy loss spectroscopy peak at 191 eV indicating the sp2 structure of boron (B) was observed, and peaks attributed to carbon (C), nitrogen (N) and oxygen (O) were observed. It was found that the sheet material was composed only of boron having an sp2 structure. Further, from the results of FIG. 6, no peak attributed to magnesium (Mg) was observed, so it was found that the sheet-like substance was composed only of boron. In FIG. 6, peaks due to oxygen (O), sulfur (S), copper (Cu), etc. are observed, but these are noises from highly sensitive measurements.

[実験例4]
実験例2で得た生成物について、ESCO社製のTDS1400TVによる昇温脱離ガス分析(Thermal Desorption Spectrometry、TDS)を行った。分析結果を、図7に示す。図7において、(a)は水に起因するスペクトルを示し、(b)は水素に起因するスペクトルを示す。実験例2で得た生成物を加熱すると、副生生物のホウ素の存在により、180℃付近で水が脱離することが分かった。また、実験例2で得た生成物をさらに加熱すると、200℃以上で水素が脱離することが分かった。水の脱離量と水素の脱離量を測定し、それらを比較したところ、実験例2で得た沈殿物に含まれるホウ素と水素のモル比が0.97:1と算出された。この結果は、実験例2で得た沈殿物は、ホウ素原子(B)と水素原子(H)がモル比で1:1の割合で存在していることを示唆している。
[Experimental example 4]
The product obtained in Experimental Example 2 was subjected to thermal desorption spectrometry (TDS) using TDS1400TV manufactured by ESCO. The analysis results are shown in FIG. In FIG. 7, (a) shows the spectrum caused by water, and (b) shows the spectrum caused by hydrogen. It was found that when the product obtained in Experimental Example 2 was heated, water was desorbed at around 180°C due to the presence of boron as a by-product. It was also found that when the product obtained in Experimental Example 2 was further heated, hydrogen was desorbed at 200° C. or higher. When the amount of desorbed water and the amount of desorbed hydrogen were measured and compared, the molar ratio of boron to hydrogen contained in the precipitate obtained in Experimental Example 2 was calculated to be 0.97:1. This result suggests that the precipitate obtained in Experimental Example 2 contains boron atoms (B) and hydrogen atoms (H) at a molar ratio of 1:1.

[実験例5]
実験例2で得た生成物について、日本分光社製のV-660による可視・紫外分光分析(UV-VIS)を行った。分析結果を、図8に示す。図8の結果から、実験例2で得た生成物は、二ホウ化マグネシウムやホウ酸にはない2.59eVの光吸収があることが分かった。
[Experimental example 5]
The product obtained in Experimental Example 2 was subjected to visible/ultraviolet spectroscopic analysis (UV-VIS) using V-660 manufactured by JASCO Corporation. The analysis results are shown in FIG. From the results of FIG. 8, it was found that the product obtained in Experimental Example 2 had a light absorption of 2.59 eV, which neither magnesium diboride nor boric acid had.

[実験例6]
実験例2で得た生成物を、真空下、20℃(293K)、60℃(333K)または350℃(623K)にて1時間、加熱処理した。
加熱処理後の生成物のX線光電子分光(XPS)分析を行った。
X線光電子分光分析の分析装置として、日本電子(JEOL)社製のX線光電子分光分析装置(商 品名:JPS9010TR)を用いた。X線光電子分光分析の結果を図9に示す。
図9の結果において、350℃(623K)で加熱した場合、187.5eVおよび191.2eVにホウ素のB1sに由来するピークが現われている。
[Experimental example 6]
The product obtained in Example 2 was heat treated under vacuum at 20° C. (293 K), 60° C. (333 K) or 350° C. (623 K) for 1 hour.
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of the product after heat treatment was performed.
As an analyzer for X-ray photoelectron spectroscopy, an X-ray photoelectron spectroscopy analyzer manufactured by JEOL (trade name: JPS9010TR) was used. FIG. 9 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopic analysis.
In the results of FIG. 9, when heated at 350° C. (623 K), peaks derived from B1s of boron appear at 187.5 eV and 191.2 eV.

[実験例7]
ガス導入部と試料投入部からなる試験装置を用意した。ガス導入部の容積は32.00cm、試料投入部の容積は28.4cmであった。
実験例2で得た生成物を、試験装置の試料投入部内に収容した。
加熱処理後の生成物を収容した試料投入部内を真空にした後、250℃(523K)にて1時間、実験例2で得た生成物を加熱処理した。
加熱処理後の生成物を収容した試料投入部内に、25℃にて28.1Torr(約3.75kPa)の二酸化炭素を導入した。
その後、所定時間毎に、試料投入部内に設置した圧力センサにより、試料投入部内の圧力を測定した。結果を図10に示す。
図10の結果から、時間の経過に伴って、試料投入部内の圧力が低下することが観察された。これは、試料投入部内に収容した加熱処理後の生成物が、試料投入部内の二酸化炭素を吸着したことによるものと考えられる。
また、試料投入部内の圧力が低下量から算出される、実験開始から2時間後の加熱処理後の生成物の二酸化炭素の吸着量は、1.32×10-6molであることが分かった。ホウ化水素1g当たりに換算すると、加熱処理後の生成物の二酸化炭素の吸着量は、4.34×10-5molCO/g-HBであることが分かった。
[Experimental example 7]
A test apparatus consisting of a gas inlet and a sample inlet was prepared. The volume of the gas introduction part was 32.00 cm 3 and the volume of the sample introduction part was 28.4 cm 3 .
The product obtained in Experimental Example 2 was placed in the sample inlet of the test apparatus.
After evacuating the inside of the sample charging section containing the heat-treated product, the product obtained in Experimental Example 2 was heat-treated at 250° C. (523 K) for 1 hour.
Carbon dioxide of 28.1 Torr (approximately 3.75 kPa) was introduced at 25° C. into the sample charging section containing the product after the heat treatment.
After that, the pressure in the sample charging portion was measured by a pressure sensor installed in the sample charging portion at predetermined time intervals. The results are shown in FIG.
From the results of FIG. 10, it was observed that the pressure inside the sample charging portion decreased with the lapse of time. This is considered to be due to the fact that the product after the heat treatment contained in the sample loading section adsorbed the carbon dioxide in the sample loading section.
In addition, it was found that the adsorption amount of carbon dioxide in the product after the heat treatment two hours after the start of the experiment, which is calculated from the amount of decrease in the pressure inside the sample insertion part, was 1.32×10 −6 mol. . When converted to 1 g of borohydride, the carbon dioxide adsorption amount of the product after the heat treatment was found to be 4.34×10 −5 molCO 2 /g-HB.

[実験例8]
実験例7と同様にして、加熱処理後の生成物に二酸化炭素を吸着させた。
その後、加熱処理後の生成物を150℃にて1時間加熱して、二酸化炭素を放出させた。
二酸化炭素を放出させた加熱処理後の生成物に、実験例8と同様にして二酸化炭素を吸着させた。
このように、加熱処理後の生成物への二酸化炭素の吸着と放出を5回繰り返した。
加熱処理後の生成物に二酸化炭素を吸着させる毎に、加熱処理後の生成物への二酸化炭素の吸着量を算出した。結果を図11に示す。
図11の結果から、加熱処理後の生成物への二酸化炭素の吸着と放出を5回繰り返しても、加熱処理後の生成物は、毎回、ほぼ同量の二酸化炭素を吸着することが確認された。
[Experimental example 8]
In the same manner as in Experimental Example 7, carbon dioxide was adsorbed on the product after the heat treatment.
The heat-treated product was then heated at 150° C. for 1 hour to release carbon dioxide.
Carbon dioxide was adsorbed in the same manner as in Experimental Example 8 on the product after the heat treatment from which carbon dioxide was released.
In this way, the adsorption and release of carbon dioxide to and from the heat-treated product were repeated five times.
Each time carbon dioxide was adsorbed on the heat-treated product, the amount of carbon dioxide adsorbed on the heat-treated product was calculated. The results are shown in FIG.
From the results of FIG. 11, even if the adsorption and release of carbon dioxide to the heat-treated product were repeated five times, it was confirmed that the heat-treated product adsorbed approximately the same amount of carbon dioxide each time. rice field.

[実験例9]
ガス導入部と試料投入部からなる試験装置(商品名:BELmax00067、マイクロトラックベル社製)を用意した。ガス導入部の容積は20.995cm、試料投入部の容積は23.729cmであった。
実験例2で得た生成物を、試験装置の試料投入部内に収容した。
加熱処理後の生成物を収容した試料投入部内を真空(3.795×10-6Pa)にした後、200℃(473K)にて18時間、実験例2で得た生成物を加熱処理した。
加熱処理後の生成物を収容した試料投入部内に、-78℃または25℃にて、1.598×10-2Pa/minで二酸化炭素を導入した。また、100kPaに達した後は、1.598×10-2Pa/minで減圧した。この過程の際に、試料投入部内に設置した圧力センサにより、試料投入部内の圧力を測定した。試料投入部内の圧力低下量から、各圧力条件における加熱処理後の生成物の二酸化炭素の吸着量を算出した。結果を図12に示す。
図12の結果から、加熱処理後の生成物を収容した試料投入部内に導入する二酸化炭素の圧力が増加するに伴って、加熱処理後の生成物の二酸化炭素の吸着量が増加することが確認された。また、試料投入部内への二酸化炭素の導入を停止して減圧を行っても、加熱処理後の生成物に二酸化炭素が吸着していることが確認された。
[Experimental example 9]
A test device (trade name: BELmax00067, manufactured by Microtrack Bell Co., Ltd.) consisting of a gas introduction part and a sample introduction part was prepared. The volume of the gas introduction part was 20.995 cm 3 and the volume of the sample introduction part was 23.729 cm 3 .
The product obtained in Experimental Example 2 was placed in the sample inlet of the test apparatus.
After evacuating (3.795×10 −6 Pa) the inside of the sample loading section containing the heat-treated product, the product obtained in Experimental Example 2 was heat-treated at 200° C. (473 K) for 18 hours. .
Carbon dioxide was introduced at −78° C. or 25° C. at 1.598×10 −2 Pa/min into the sample charging section containing the product after the heat treatment. After reaching 100 kPa, the pressure was reduced to 1.598×10 −2 Pa/min. During this process, the pressure in the sample inlet was measured by a pressure sensor installed in the sample inlet. The amount of carbon dioxide adsorbed by the product after the heat treatment under each pressure condition was calculated from the amount of pressure drop in the sample charging portion. The results are shown in FIG.
From the results of FIG. 12, it was confirmed that as the pressure of carbon dioxide introduced into the sample input unit containing the product after heat treatment increases, the amount of carbon dioxide adsorbed by the product after heat treatment increases. was done. Further, it was confirmed that carbon dioxide was adsorbed on the product after the heat treatment even when the introduction of carbon dioxide into the sample charging portion was stopped and the pressure was reduced.

本発明の二酸化炭素貯蔵放出材料は、常温(15℃~25℃)、常圧(1気圧)以下で二酸化炭素を貯蔵する材料として利用可能である。また、本発明の二酸化炭素貯蔵放出材料は、天然ガスプラントや発電プラントで求められるCCS(Carbon dioxide Capture and Storage)技術のうち、PSA(Pressure Swing Adsorption)法に好適に用いられる。 The carbon dioxide storage-release material of the present invention can be used as a material for storing carbon dioxide at room temperature (15° C. to 25° C.) and normal pressure (1 atm) or less. In addition, the carbon dioxide storage-release material of the present invention is suitably used for the PSA (Pressure Swing Adsorption) method among the CCS (Carbon Dioxide Capture and Storage) technologies required in natural gas plants and power plants.

Claims (4)

二次元ネットワークを有する二次元ホウ化水素含有シートから構成され、
X線光電子分光分析において、ホウ素のB1sに由来する187.5eVおよび191.2eVにピークを示し、マグネシウムに由来するピークを示さないスペクトルを有する二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法であって、
MgB型構造の二ホウ化マグネシウムと、前記二ホウ化マグネシウムを構成するマグネシウムイオンとイオン交換可能な水素イオンを配位したイオン交換樹脂とを極性有機溶媒中で混合し、二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体を得る工程と、
前記二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体を200℃~350℃で加熱処理する工程と、を有することを特徴とする二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法。
Constructed from a two-dimensional borohydride-containing sheet having a two-dimensional network,
A method for producing a carbon dioxide storage-release material having a spectrum showing peaks at 187.5 eV and 191.2 eV derived from B1s of boron and not showing a peak derived from magnesium in X-ray photoelectron spectroscopy,
Magnesium diboride having a MgB 2 type structure and an ion exchange resin in which magnesium ions constituting the magnesium diboride and ion-exchangeable hydrogen ions are coordinated are mixed in a polar organic solvent to obtain a carbon dioxide storage and release material. obtaining a precursor;
and heat-treating the carbon dioxide storage-release material precursor at 200°C to 350°C.
前記二酸化炭素貯蔵放出材料前駆体は、昇温脱離ガス分析と昇温前後の質量測定により算出されるホウ素と水素のモル比が1:1である(HB)(n≧4)からなる二次元ネットワークを有し、X線光電子分光分析において、負に帯電したホウ素のB1sに由来する188eV近傍にピークを示し、マグネシウムに由来するピークを示さないスペクトルを有し、電子線エネルギー損失分光において、ホウ素のsp2構造に由来する191eVにピークを示すスペクトルを有することを特徴とする請求項に記載の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法。 The carbon dioxide storage-release material precursor consists of (HB) n (n≧4) having a molar ratio of boron to hydrogen of 1:1 calculated by temperature-programmed desorption gas analysis and mass measurement before and after heating. Having a two-dimensional network, in X-ray photoelectron spectroscopy, having a spectrum showing a peak in the vicinity of 188 eV derived from B1s of negatively charged boron and not showing a peak derived from magnesium, in electron beam energy loss spectroscopy , having a spectrum showing peaks at 191 eV derived from the sp2 structure of boron. 前記イオン交換樹脂は、スルホ基を有することを特徴とする請求項1または2に記載の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法。 3. The method for producing a carbon dioxide storage-release material according to claim 1, wherein the ion exchange resin has a sulfo group. 前記極性有機溶媒は、アセトニトリルまたはメタノールであることを特徴とする請求項のいずれか1項に記載の二酸化炭素貯蔵放出材料の製造方法。 The method for producing a carbon dioxide storage-release material according to any one of claims 1 to 3, wherein the polar organic solvent is acetonitrile or methanol.
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