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日本开发的新材料MOF受到世界关注

时间:2021-10-13 10:46来源:日经中文网 作者:日经中文网

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上一篇:日立用量子技术自动编制铁路运行计划

导读:日立制作所正在利用模拟量子计算机的“模拟量子计算机”技术开发自动编制铁路时刻表等运行计划的系统。从到2022年度实现商用化的乘务员配置计划来看,此前需要数天时间的工作被缩短至30分钟。日本在量子技术的实用化方面落后于中美两国,但企业的行动不断取

  

      日本研究人员等开发的新材料正要掌握脱碳的关键。开有无数微细小孔的金属有机框架(MOF)1克的表面积有一个足球场那么大,可以保存目标物质。虽然在保持水果新鲜度及制造半导体等方面已达到实用化,而其真正的应用领域是环保领域。全球正在研究将其用于回收二氧化碳及储存脱碳燃料氢气。

    

     MOF 含碳有机分子和锌、铜等金属原子连接在一起,形成网格状或蜂窝状结构的物质。也被称为多孔配位聚合物(PCP)。利用只需将有机分子和金属混合在一起,分子就会自然聚集的“自组装”现象组合而成。

    

  

     具有可容纳1~数个分子的空隙,可以包封特定的物质。只要改变金属和有机分子的组合,就能调节孔洞的大小和性质,实现可包封目标物质的设计。

      

     8月,来自美国西北大学的初创企业NuMat Technologies宣布,将在“开发高效骤减碳排放的分离技术”上与住友化学合作。住友化学关注的是NuMat Technologies公司所拥有的设计MOF材料的技术。

   

      MOF是内部开有无数微细小孔的多孔性材料的一种。也有的MOF 1克的表面积在7000平方米以上,相当于1个足球场。

 

      在现有多孔性材料中,有用于冰箱除臭剂的活性炭及在工厂用于吸附有害物质等的沸石,而MOF的表面积更大,可以高效保存大量物质。除了物质的储藏和分离外,还可以作为促进分子化学反应的“场地”使用。

 

      充分利用MOF特点的产品已实现实用化。在全球走在前列的是来自英国贝尔法斯特女王大学的初创企业“MOF Technologies”(北爱尔兰)。该公司2016年9月宣布,推出保持水果新鲜度的MOF。在MOF中装入抑制水果自己释放、促进成熟的乙烯作用的物质,在销售前防止水果腐烂。

     

     2016年10月,NuMat Technologies也宣布推出用来安全保管和运输有毒气体的MOF产品。可以在低于常压下安全保存制造半导体制造不可或缺的有毒砷化合物及磷化合物等。

      

美国NuMat Technologies公司的MOF

  

      大型医药和化学企业德国默克相关企业已在国际上供应MOF,大型半导体厂商也在使用。原来要想在小容器中大量保存气体,需要加压到高压,但有泄露风险。使用MOF,在低压下也可以安全保存及运输大量气体。

    

     NuMat Technologies公司也拥有利用MOF去除气体等所含的微细杂质的技术。该公司表示“首先瞄准半导体、生命科学及防卫市场,中期在化学、能源领域将有很大机会”。

    

     在日本国内,日本氟工业株式会社(Nippon Fusso)2020年12月在保护化工厂使用的金属储存罐表面的涂布环节实现了MOF的实用化。源自京都大学的初创企业Atomis提供了采用京都大学特聘教授北川进的技术的材料。

    

     积极涉足的不仅是初创企业。德国化学大型企业巴斯夫(BASF)自2004年启动研究,一直开发用于气体分离和储藏、水吸收等的多种MOF。

     

     具备根据客户用途加工粉末状MOF、或涂布于其他物质表面的技术。巴斯夫日本公司的经理池尻文彦表示,“MOF的潜力巨大。希望尽早推进商用化”。将以“Basolite”的产品名,向能源、汽车和电子等广泛行业推广。

     

德国巴斯夫具有将MOF加工为各种形状的技术(图由该公司提供)

   

      作为主要应用领域,研究积极推进的是应对气候变暖等环保领域。澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)2020年10月在论文中表示制造出试验设备,能利用MOF廉价实现直接回收大气中浓度仅为0.04%的二氧化碳的“直接空气捕获(DAC)”。将MOF加热至摄氏80度,即可回收微量的二氧化碳。

    

     在实验中,重复吸附和回收浓度70~80%的二氧化碳达到500次以上,性能并未下降。每天能回收6公斤二氧化碳。回收1公斤所需的能源为1.6千瓦时,降至世界最低水平,成本也控制在每吨35~350美元。

     

      “直接空气捕获(DAC)”现在的主流是在碱性溶液中捕捉大气中的二氧化碳之后,加热至约900度后进行回收的方式等。作为热源,需要地热等的高温,设置场所受到制约。如果是采用MOF的方式,能利用工厂和垃圾焚烧设施的废热热源,可以在更多地点设置。

   

  

     日本的国立研究开发法人日本科学技术振兴机构的低碳社会战略中心2021年3月发布的报告显示,要推动“直接空气捕获(DAC)”普及,需要将回收每吨二氧化碳的成本降至2万~3.5万日元以下。利用现有方式,成本高的情况达到约12万日元,如果使用MOF,有望降至3分之1以下。

     

     各国政府也在推动研究。美国能源部向美国西北大学资助330万美元,正在扶持采用MOF的“直接空气捕获(DAC)”的实现。

     

     预计MOF的用途将会扩大。立教大学和日本曹达正在开发可用于分离二氧化碳和储存氢气的MOF。2021年春季,NuMat公司与大型宇航企业美国霍尼韦尔和西北大学一同与美国国防高级研究计划局(DARPA)签署了利用MOF捕获空气中的水分来制作饮用水的军用便携设备的开发合同。如果将来量产后价格降低,将有望对发展中国家的饮用水供应作出贡献。

 

   日本研究人员引领MOF研究

    

    MOF是备受关注的研究领域,甚至被称为诺贝尔化学奖的有力候选。在日本研究人员中,作出重大贡献的是东京大学著名教授藤田诚和京都大学特别教授北川进。

 

     1990年藤田诚在美国学术杂志上发表了一篇论文,称把金属钯和直线状有机分子混合后,可以自然形成正方形分子。当时,金属和有机分子的研究并不盛行,这篇论文并未马上受到关注。后来,藤田又接连发表了制作正四面体和正八面体等的成果。以此表明,如果利用金属和有机分子的自组装现象,就能轻松制作出各种形状的分子,这让全世界的研究人员感到吃惊。

   

  

      提出MOF应用可能性的是北川进和美国加州大学伯克利分校的奥马尔·亚基(Omar Yaghi)教授。1997年,北川发布了多孔性MOF,这种MOF使用金属和有机分子,打开了无数个微孔,可捕获比活性炭多几倍的分子。亚基成功制造出在气体中也十分稳定、便于使用的MOF,促进了工业方面的应用。亚基与藤田诚2018年获得了被视为诺贝尔奖龙门的以色列沃尔夫化学奖。

   

      今后MOF将全面用于工业用途。中国调查公司恒州博智(QY Research)的数据显示,2019年全球市场规模为1.49亿美元,2026年将扩大至5.6倍,达到8.38亿美元。日本需要发挥研究人员实力雄厚的优势以及材料行业的优势,实现东山再起。

   

    日本经济新闻(中文版:日经中文网)福冈幸太郎、草盐拓郎

    

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