Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP6202295B2 - Composite porous body and method for producing the same - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP6202295B2 - Composite porous body and method for producing the same - Google Patents

Composite porous body and method for producing the same Download PDF

Info

Publication number
JP6202295B2
JP6202295B2 JP2012181214A JP2012181214A JP6202295B2 JP 6202295 B2 JP6202295 B2 JP 6202295B2 JP 2012181214 A JP2012181214 A JP 2012181214A JP 2012181214 A JP2012181214 A JP 2012181214A JP 6202295 B2 JP6202295 B2 JP 6202295B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mof
metal
porous
porous substrate
organic structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2012181214A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2014036935A (en
Inventor
伸生 原
伸生 原
美紀 吉宗
美紀 吉宗
根岸 秀之
秀之 根岸
賢治 原谷
賢治 原谷
原 重樹
重樹 原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority to JP2012181214A priority Critical patent/JP6202295B2/en
Publication of JP2014036935A publication Critical patent/JP2014036935A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6202295B2 publication Critical patent/JP6202295B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Porous Artificial Stone Or Porous Ceramic Products (AREA)

Description

本発明は、気体または液体の選択透過性を有する多孔質体に係り、多孔質膜等の多孔質基材の細孔内部において金属有機構造体(MOF)を形成した複合多孔質膜等の複合多孔質体とその製造法に関する。   The present invention relates to a porous body having gas or liquid permselectivity, and a composite such as a composite porous membrane in which a metal organic structure (MOF) is formed inside the pores of a porous substrate such as a porous membrane. The present invention relates to a porous body and a method for producing the same.

多数の微細な細孔を有する多孔質膜は、海水淡水化・廃水処理・アルコールや各種の化学製品の濃縮等の液体分離用途や、水素製造・酸素富化・二酸化炭素分離等の気体分離用途に向けて分離性能の向上と実用化が進められている。具体的には、ゼオライト膜、シリカ膜、多孔質α−アルミナ膜、多孔質ガラス膜、多孔質カーボン膜、多孔質高分子膜等の開発が行われてきた。多孔質膜の分離性能のさらなる向上と、より困難な各種の炭化水素分離に対しても多孔質膜を適用することを目指して、新規な多孔質膜の開発と性能向上が必要である。   Porous membranes with many fine pores are used for liquid separation such as seawater desalination, wastewater treatment, concentration of alcohol and various chemical products, and gas separation such as hydrogen production, oxygen enrichment, and carbon dioxide separation. The separation performance is being improved and put to practical use. Specifically, developments have been made on zeolite membranes, silica membranes, porous α-alumina membranes, porous glass membranes, porous carbon membranes, porous polymer membranes and the like. It is necessary to develop a new porous membrane and improve its performance with the aim of further improving the separation performance of the porous membrane and applying the porous membrane to various difficult hydrocarbon separations.

近年、新しい多孔質物質として、金属有機構造体(MOF:Metal-Organic Framework)と呼ばれる新しい多孔質物質が注目されている。これは、金属塩が溶液に溶解して生じる金属イオンと、その金属イオンと配位結合を形成できる有機配位子が、配位結合を形成して生成する、結晶性の規則的な多孔質物質である。金属イオンと有機配位子の組み合わせから多くの種類が報告されている。金属有機構造体(MOF)は、細孔径は0.3nm程度から3nm程度であり、比表面積は1000‐2000m2/g程度から最大では5000m2/gを超えるものまで報告されている。この規則的な細孔径と高い比表面積を有する金属有機構造体(MOF)の特徴を利用して、新しい多孔質膜の開発が進められてきた。 In recent years, a new porous material called metal organic structure (MOF) has attracted attention as a new porous material. This is a crystalline, regular porous material formed by forming a coordination bond between a metal ion generated by dissolving a metal salt in a solution and an organic ligand capable of forming a coordination bond with the metal ion. It is a substance. Many types have been reported from combinations of metal ions and organic ligands. Metal organic structures (MOF), the pore size is 3nm order of about 0.3 nm, a specific surface area of the maximum from about 1000-2000m 2 / g have been reported to over 5000 m 2 / g. Development of a new porous film has been advanced by utilizing the feature of the metal organic structure (MOF) having a regular pore size and a high specific surface area.

例えば非特許文献1では、多孔質α−アルミナ基材の表面において金属有機構造体(MOF)の結晶を形成した膜である複合多孔質体が報告されている。ここでは、金属塩と有機配位子の両方を含む溶液に多孔質α−アルミナ基材を浸漬し、水熱合成を行って多孔質α−アルミナ基材の表面に金属有機構造体(MOF)の一種であるMOF−5の結晶を形成している。   For example, Non-Patent Document 1 reports a composite porous body that is a film in which a metal organic structure (MOF) crystal is formed on the surface of a porous α-alumina substrate. Here, a porous α-alumina substrate is immersed in a solution containing both a metal salt and an organic ligand, and hydrothermal synthesis is performed to form a metal organic structure (MOF) on the surface of the porous α-alumina substrate. The crystal of MOF-5 which is a kind of the above is formed.

非特許文献2においては、金属有機構造体(MOF)の原料である金属塩と有機配位子のそれぞれの水溶液を調整し、多孔質α−アルミナ基材を交互に浸漬する工程を複数回行うことで薄い結晶層を形成し、さらに金属塩と有機配位子の両方を含む溶液に浸漬して水熱合成を行って多孔質α−アルミナ基材の表面に金属有機構造体(MOF)の一種であるCu−BTCの結晶を形成している。   In Non-Patent Document 2, a process of adjusting each aqueous solution of a metal salt and an organic ligand, which are raw materials of a metal organic structure (MOF), and alternately immersing the porous α-alumina base material is performed a plurality of times. A thin crystal layer is formed, and further immersed in a solution containing both a metal salt and an organic ligand, hydrothermal synthesis is performed, and a metal organic structure (MOF) is formed on the surface of the porous α-alumina substrate. A kind of Cu-BTC crystal is formed.

非特許文献3においては、金属有機構造体(MOF)の微小な結晶を含む溶液を高温に熱した多孔質α−アルミナ基材に滴下して微小な結晶を表面に付着させ、さらに金属塩と有機配位子の両方を含む溶液に浸漬して水熱合成を行って多孔質α−アルミナ基材の表面に金属有機構造体(MOF)の一種であるCu−BTCの結晶を形成している。   In Non-Patent Document 3, a solution containing fine crystals of metal organic structure (MOF) is dropped onto a porous α-alumina substrate heated to high temperature to attach the fine crystals to the surface, and further, a metal salt and A crystal of Cu-BTC which is a kind of metal organic structure (MOF) is formed on the surface of the porous α-alumina base material by dipping in a solution containing both organic ligands and hydrothermal synthesis. .

非特許文献4においては、多孔質ナイロン膜の両面から金属塩と有機配位子のそれぞれの水溶液を供給して合成を行っている。二種類の水溶液が膜面を透過して混合し、多孔質ナイロン膜の表面において、金属有機構造体(MOF)の一種であるZIF−8の結晶を形成している。   In Non-Patent Document 4, synthesis is performed by supplying respective aqueous solutions of a metal salt and an organic ligand from both sides of a porous nylon membrane. Two kinds of aqueous solutions permeate through the membrane surface and mix to form ZIF-8 crystals, which are a kind of metal organic structure (MOF), on the surface of the porous nylon membrane.

これらの非特許文献の方法においては、いずれも多孔質基材の表面上に金属有機構造体(MOF)の結晶を緻密に形成しており、走査型電子顕微鏡(SEM)観察によって形成した結晶が観察されている。また、これらにおいて用いられている多孔質基材の細孔径は約100−200nmであるが、多孔質基材の表面上に形成された金属有機構造体(MOF)の結晶径は、走査型電子顕微鏡(SEM)観察から少なくとも1μm以上である。断面方向においては、多孔質基材の表面上に走査型電子顕微鏡(SEM)観察によって少なくとも5μm以上の金属有機構造体(MOF)の緻密層が観察されている。水素、二酸化炭素、窒素、メタン等の気体透過性の測定も報告され、分離膜としての性能を示すことが確認されている。   In these non-patent literature methods, the metal organic structure (MOF) crystals are densely formed on the surface of the porous substrate, and the crystals formed by observation with a scanning electron microscope (SEM) Has been observed. Moreover, although the pore diameter of the porous base material used in these is about 100-200 nm, the crystal diameter of the metal organic structure (MOF) formed on the surface of the porous base material is a scanning electron. It is at least 1 μm or more from observation with a microscope (SEM). In the cross-sectional direction, a dense layer of metal organic structure (MOF) of at least 5 μm or more is observed on the surface of the porous substrate by scanning electron microscope (SEM) observation. Measurement of gas permeability of hydrogen, carbon dioxide, nitrogen, methane, etc. has also been reported, and it has been confirmed that it exhibits performance as a separation membrane.

特許文献1においては、金属有機構造体(MOF)と、メソポーラスシリカ、ゼオライト、金属酸化物、多孔質粘土、活性炭等の多孔質基材を複合化した物質をハイブリッド多孔性物質として報告している。この従来法では、多孔性基材を金属有機構造体(MOF)の原料である金属塩と有機配位子の二種類の原料の片方に含浸させて乾燥し、その後残り一方に含侵させて水熱合成によって金属有機構造体(MOF)を形成する工程により得られた物質を、ハイブリッド多孔性物質として出願している。実施例として、メソポーラスシリカと金属有機構造体(MOF)の一種であるMOF−5からなる複合多孔質物質を示している。   In Patent Document 1, a material obtained by combining a metal organic structure (MOF) and a porous substrate such as mesoporous silica, zeolite, metal oxide, porous clay, activated carbon and the like is reported as a hybrid porous material. . In this conventional method, a porous base material is impregnated into one of two kinds of raw materials, a metal salt which is a raw material of a metal organic structure (MOF) and an organic ligand, dried, and then impregnated into the other one. A substance obtained by a process of forming a metal organic structure (MOF) by hydrothermal synthesis has been filed as a hybrid porous substance. As an example, a composite porous material composed of mesoporous silica and MOF-5 which is a kind of metal organic structure (MOF) is shown.

特開2011−126775(三星電子株式会社)JP2011-126775 (Samsung Electronics Co., Ltd.)

Liu, Y. Y.;Ng, Z. F.; Khan, E. A.; Jeong, H. K.; Ching, C. B.; Lai, Z. P. Microporous and Mesoporous Materials 2009, 118, 296-301.Liu, Y. Y .; Ng, Z. F .; Khan, E. A .; Jeong, H. K .; Ching, C. B .; Lai, Z. P. Microporous and Mesoporous Materials 2009, 118, 296-301. Nan, J. P.; Dong, X. L.; Wang, W. J.; Jin, W. Q.; Xu, N. P. Langmuir2011, 27, 4309-4312.Nan, J. P .; Dong, X. L .; Wang, W. J .; Jin, W. Q .; Xu, N. P. Langmuir 2011, 27, 4309-4312. Guerrero, V. V.; Yoo, Y.; McCarthy, M. C.; Jeong, H. K. Journal ofMaterials Chemistry 2010, 20, 3938.Guerrero, V. V .; Yoo, Y .; McCarthy, M. C .; Jeong, H. K. Journal of Materials Chemistry 2010, 20, 3938. Yao, J. F.; Dong, D. H.; Li, D.; He, L.; Xu, G. S.; Wang, H. T.Chemical Communications 2011, 47, 2559-2561.Yao, J. F .; Dong, D. H .; Li, D .; He, L .; Xu, G. S .; Wang, H. T. Chemical Communications 2011, 47, 2559-2561.

従来法における金属有機構造体(MOF)の複合膜は、分離膜として実用に供する上で様々な問題点が揚げられる。非特許文献1−4においては、多孔質基材の表面上に形成した金属有機構造体(MOF)の結晶が表面上から脱離することや、さらに機械的衝撃や熱や溶媒乾燥時の体積変化やひずみによる結晶の破損など、耐久性に問題がある。実際に、非特許文献3において、多孔質基材表面に形成した金属有機構造体(MOF)の結晶が、含水状態からの乾燥時に水の表面張力によって亀裂が生じることが報告され、これを防ぐためには表面張力の低いエタノールに置換した後に乾燥する工程が必要としており、これによる取扱い工程の複雑化と長期化も解決すべき課題である。   The conventional metal organic structure (MOF) composite membrane raises various problems when put to practical use as a separation membrane. In Non-Patent Documents 1-4, the metal organic structure (MOF) crystal formed on the surface of the porous substrate is detached from the surface, and further, the volume at the time of mechanical impact, heat, and solvent drying. There are problems with durability such as crystal breakage due to changes and strains. In fact, Non-Patent Document 3 reports that the crystal of the metal organic structure (MOF) formed on the surface of the porous substrate is cracked by the surface tension of water when dried from the water-containing state, and this is prevented. For this purpose, a process of drying after replacing with ethanol having a low surface tension is required, and this complicates and lengthens the handling process.

特許文献1においては、実施例において多孔質基材上に形成された金属有機構造体(MOF)の結晶径は走査型電子顕微鏡写真から100−500μm程度と見積もられ、さらに多孔質基材上に分散して形成されており、多孔質基材の表面が露出した状態である。このことから、この従来法は多孔質基材の表面上に金属有機構造体(MOF)を分散して形成する方法であり、多孔質基材の細孔中に形成された金属有機構造体(MOF)の粒子間に隙間があり、その隙間を気体や液体が容易に通り抜けてしまうため、分離膜として実用に供する目的に十分な金属有機構造体(MOF)の結晶層は得られない。
非特許文献4においては、本発明で用いる製造法と同じ形式である、膜の両側から原料溶液を供給する対向拡散法を用いている。しかし非特許文献4においては、多孔質基材の表面に金属有機構造体(MOF)を形成することを目的としており、多孔質基材の細孔中にMOFを形成することには成功していない。これは、製造時の反応条件が細孔中において金属有機構造体(MOF)を形成するために必要な条件を用いていないためであるが、細孔中において金属有機構造体(MOF)を形成することの利点を認知していないことが根本的な理由であると言える。
In Patent Document 1, the crystal diameter of the metal organic structure (MOF) formed on the porous substrate in the examples is estimated to be about 100-500 μm from the scanning electron micrograph, and further on the porous substrate. In this state, the surface of the porous substrate is exposed. Therefore, this conventional method is a method in which a metal organic structure (MOF) is dispersed and formed on the surface of the porous substrate, and the metal organic structure formed in the pores of the porous substrate ( Since there are gaps between the MOF) particles, and gas and liquid easily pass through the gaps, a crystal layer of metal organic structure (MOF) sufficient for practical use as a separation membrane cannot be obtained.
Non-Patent Document 4 uses a counter diffusion method in which the raw material solution is supplied from both sides of the membrane, which is the same format as the manufacturing method used in the present invention. However, Non-Patent Document 4 aims to form a metal organic structure (MOF) on the surface of the porous substrate, and has succeeded in forming MOF in the pores of the porous substrate. Absent. This is because the reaction conditions at the time of production do not use conditions necessary for forming the metal organic structure (MOF) in the pores, but the metal organic structure (MOF) is formed in the pores. The fundamental reason is that they do not recognize the benefits of doing so.

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決し、分離膜等の分離エレメントとして実用に供することが十分に期待できる金属有機構造体(MOF)の結晶層を具備する複合多孔質体、及び、その製造方法を提供することを課題とする。   The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, and a composite porous body comprising a metal organic structure (MOF) crystal layer that can be sufficiently expected to be put to practical use as a separation element such as a separation membrane An object is to provide a manufacturing method thereof.

本発明者らは鋭意研究の結果、先行技術における問題点は多孔質基材の表面上において金属有機構造体(MOF)を形成することに起因しているとの結論に至り、多孔質基材の細孔内部において金属有機構造体(MOF)を形成することによって従来法の問題点を解決することが可能であることを見出し、新規な複合多孔質体とその製造法に開発に至った。   As a result of intensive studies, the inventors have concluded that the problem in the prior art is due to the formation of a metal organic structure (MOF) on the surface of the porous substrate. It has been found that the problem of the conventional method can be solved by forming a metal organic structure (MOF) inside the pores of the present invention, leading to the development of a novel composite porous body and its production method.

すなわち、本発明の複合多孔質体は、多孔質基材の細孔内部において金属有機構造体(MOF)を形成した複合多孔質体であって、多孔質基材の細孔径が10μm以下であること、多孔質基材の細孔径測定で得られる多孔質基材の細孔径より複合多孔質体金属有機構造体(MOF)の結晶径が小さいこと、を特徴とする。   That is, the composite porous body of the present invention is a composite porous body in which a metal organic structure (MOF) is formed inside the pores of the porous substrate, and the pore diameter of the porous substrate is 10 μm or less. In addition, the crystal diameter of the composite porous metal-organic structure (MOF) is smaller than the pore diameter of the porous substrate obtained by measuring the pore diameter of the porous substrate.

さらに、本発明の複合多孔質体は、金属有機構造体(MOF)を多孔質基材の細孔内部に形成するにあたり、金属塩と有機配位子を多孔質基材の膜状等の基材の両側からそれぞれ溶液状態で供給することを特徴とする。   Furthermore, the composite porous body of the present invention has a metal salt and an organic ligand formed on a porous substrate based on a film base or the like when forming a metal organic structure (MOF) inside the pores of the porous substrate. It is characterized by being supplied in a solution state from both sides of the material.

本発明は、上記のような特徴を有するものであり、次のように要約することができる。
(1)多孔質基材の細孔内部において金属有機構造体(MOF)を形成した複合多孔質体であって、
多孔質基材の細孔径測定で得られる多孔質基材の平均細孔径が10μm以下であること、
多孔質基材の該平均細孔径より複合多孔質体金属有機構造体(MOF)の結晶径が小さいこと、
を特徴とする複合多孔質体。
(2)上記多孔質基材の材質が、α−アルミナ、ジルコニア、チタニア、炭化ケイ素、マグネシア、ガラス、カーボン、ゼオライト、粘土鉱物、PTFE、ポリイミド、ポリエチレンおよびこれらの誘導体からなる群より選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする、上記(1)に記載の複合多孔質体。
(3)上記金属有機構造体(MOF)の原料である金属塩は、金属硝酸塩、金属硫酸塩、金属塩化物、金属臭化物、金属ヨウ化物、金属フッ化物、金属炭酸塩、金属蟻酸塩、金属リン酸塩、金属硫化物および金属水酸化物からなる群より選択される少なくとも一種であり、該金属塩の金属元素は、Cu、Zn、Co、In、Al、Fe、V、Mg、Mn、Ni、Ru、Mo、Cr、W、RhおよびPdからなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする、上記(1)又は(2)に記載の複合多孔質体。
(4)上記金属有機構造体(MOF)の原料である有機配位子は、ジカルボン酸、トリカルボン酸、イミダゾール、ベンゾイミダゾール、アザベンゾイミダゾールおよびこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする、上記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の複合多孔質体。
(5)一面と別の面との間を連通する多数の細孔を有する多孔質基材の該細孔内部に金属有機構造体(MOF)を形成した複合多孔質体の製造法であって、該細孔内部に金属有機構造体(MOF)が形成される条件で、金属塩の溶液を該一面側から、有機配位子の溶液を前記別の面側からそれぞれ供給することを特徴とする、複合多孔質体の製造法。
(6)前記多孔質基材の一面と別の面との一方に、予め、2〜5nmの微細孔を有する被覆層を形成することを特徴とする上記(5)に記載の複合多孔質体の製造法。
The present invention has the features as described above, and can be summarized as follows.
(1) A composite porous body in which a metal organic structure (MOF) is formed inside the pores of a porous substrate,
The average pore diameter of the porous substrate obtained by measuring the pore diameter of the porous substrate is 10 μm or less,
The crystal diameter of the composite porous metal-organic structure (MOF) is smaller than the average pore diameter of the porous substrate;
A composite porous body characterized by
(2) The material of the porous substrate was selected from the group consisting of α-alumina, zirconia, titania, silicon carbide, magnesia, glass, carbon, zeolite, clay mineral, PTFE, polyimide, polyethylene and derivatives thereof. The composite porous body according to (1) above, which is at least one kind.
(3) The metal salt that is the raw material of the metal organic structure (MOF) is metal nitrate, metal sulfate, metal chloride, metal bromide, metal iodide, metal fluoride, metal carbonate, metal formate, metal It is at least one selected from the group consisting of phosphates, metal sulfides and metal hydroxides, and the metal elements of the metal salts are Cu, Zn, Co, In, Al, Fe, V, Mg, Mn, The composite porous body according to (1) or (2) above, which is at least one selected from the group consisting of Ni, Ru, Mo, Cr, W, Rh and Pd.
(4) The organic ligand that is a raw material of the metal organic structure (MOF) is at least one selected from the group consisting of dicarboxylic acid, tricarboxylic acid, imidazole, benzimidazole, azabenzimidazole, and derivatives thereof. The composite porous body according to any one of (1) to (3) above, wherein
(5) A method for producing a composite porous body in which a metal organic structure (MOF) is formed inside a porous substrate having a large number of pores communicating between one surface and another surface. A metal salt solution is supplied from the one side and an organic ligand solution is supplied from the other side under the condition that a metal organic structure (MOF) is formed inside the pores. A method for producing a composite porous body.
(6) The composite porous body as described in (5) above, wherein a coating layer having fine pores of 2 to 5 nm is formed in advance on one surface of the porous substrate and the other surface. Manufacturing method.

また、本発明は、つぎのような態様を含むことができる。
(7)多孔質基材が厚さ0.2〜5mmの膜状である上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の複合多孔質体。
(8)膜状多孔質基材の厚さが1〜3mmである上記(7)に記載の複合多孔質体。
(9)多孔質基材が、10μm超の径の細孔を有する1又は2以上の多孔質層からなる多孔質基材層と、該多孔質基材層表面の10μm以下の細孔を有する薄肉多孔質層との積層構造であることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の複合多孔質体。
(10)前記多孔質基材層の厚さが5mm超であり、薄肉多孔質層の厚さが0.1〜3mmである上記(9)に記載の複合多孔質体。
(11)多孔質基材が平板状、曲板状、波板状、管状、円筒状、角筒状、モノリス状のいずれかである上記(1)〜(4)、(7)〜(10)のいずれか1項に記載の複合多孔質体。
(12)前記別の面が前記一面と反対側の面である上記(5)又は(6)に記載の上記(5)に記載の複合多孔質体の製造法。
(13)多孔質基材の細孔径測定で得られる多孔質基材の平均細孔径が10μm以下である上記(5)、(6)、(12)のいずれか1項に記載の複合多孔質体の製造法。
(14)上記多孔質基材の材質が、α−アルミナ、ジルコニア、チタニア、炭化ケイ素、マグネシア、ガラス、カーボン、ゼオライト、粘土鉱物、PTFE、ポリイミド、ポリエチレンおよびこれらの誘導体からなる群より選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする、上記(5)、(6)、(12)、(13)のいずれか1項に記載の複合多孔質体の製造法。
(15)上記金属有機構造体(MOF)の原料である金属塩は、金属硝酸塩、金属硫酸塩、金属塩化物、金属臭化物、金属ヨウ化物、金属フッ化物、金属炭酸塩、金属蟻酸塩、金属リン酸塩、金属硫化物および金属水酸化物からなる群より選択される少なくとも一種であり、該金属塩の金属元素は、Cu、Zn、Co、In、Al、Fe、V、Mg、Mn、Ni、Ru、Mo、Cr、W、RhおよびPdからなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする、上記(5)、(6)、(12)〜(14)のいずれか1項に記載の複合多孔質体の製造法。
(16)上記金属有機構造体(MOF)の原料である有機配位子は、ジカルボン酸、トリカルボン酸、イミダゾール、ベンゾイミダゾール、アザベンゾイミダゾールおよびこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする、上記(5)、(6)、(12)〜(15)のいずれか1項に記載の複合多孔質体の製造法。
(17)前記2〜5nmの微細孔を有する被覆層を形成する材料がγ−アルミナである上記(6)に記載の複合多孔質体の製造法。
(18)前記溶液の供給速度と、金属有機構造体(MOF)の形成反応速度との少なくとも一方を調整して、細孔内において金属有機構造体(MOF)を形成する、上記(5)、(6)、(12)〜(17)のいずれか1項に記載の複合多孔質体の製造法。
(19)前記溶液の濃度を上げること、および/又は、前記溶液の温度を上げることにより、金属有機構造体(MOF)の形成反応速度を高くし、細孔内において金属有機構造体(MOF)を形成する、上記(18)に記載の複合多孔質体の製造法。
(20)細孔径の小さい多孔質基材を用いること、および/又は、表面に供給を妨げる層を持つ多孔質基材を用いることにより、前記溶液の供給速度を遅くし、細孔内において金属有機構造体(MOF)を形成する、上記(18)に記載の複合多孔質体の製造法。
In addition, the present invention can include the following aspects.
(7) The composite porous body according to any one of (1) to (4) above, wherein the porous substrate is in the form of a film having a thickness of 0.2 to 5 mm.
(8) The composite porous body according to (7), wherein the thickness of the membranous porous substrate is 1 to 3 mm.
(9) The porous substrate has a porous substrate layer composed of one or more porous layers having pores with a diameter of more than 10 μm, and pores of 10 μm or less on the surface of the porous substrate layer. The composite porous body according to any one of (1) to (4) above, wherein the composite porous body has a laminated structure with a thin porous layer.
(10) The composite porous body according to (9), wherein the porous base material layer has a thickness of more than 5 mm and the thin porous layer has a thickness of 0.1 to 3 mm.
(11) The above (1) to (4), (7) to (10), wherein the porous substrate is any one of a flat plate shape, a curved plate shape, a corrugated plate shape, a tubular shape, a cylindrical shape, a rectangular tube shape, and a monolith shape. The composite porous body according to any one of 1).
(12) The method for producing a composite porous body according to (5), described above in (5) or (6), wherein the another surface is a surface opposite to the one surface.
(13) The composite porous material according to any one of the above (5), (6), and (12), wherein the porous substrate obtained by measuring the pore size of the porous substrate has an average pore size of 10 μm or less. Body manufacturing method.
(14) The material of the porous substrate is selected from the group consisting of α-alumina, zirconia, titania, silicon carbide, magnesia, glass, carbon, zeolite, clay mineral, PTFE, polyimide, polyethylene and derivatives thereof. The method for producing a composite porous body according to any one of (5), (6), (12), and (13) above, wherein the composite porous body is at least one kind.
(15) The metal salt that is the raw material of the metal organic structure (MOF) is metal nitrate, metal sulfate, metal chloride, metal bromide, metal iodide, metal fluoride, metal carbonate, metal formate, metal It is at least one selected from the group consisting of phosphates, metal sulfides and metal hydroxides, and the metal elements of the metal salts are Cu, Zn, Co, In, Al, Fe, V, Mg, Mn, Any one of (5), (6), (12) to (14) above, which is at least one selected from the group consisting of Ni, Ru, Mo, Cr, W, Rh and Pd The manufacturing method of the composite porous body as described in a term.
(16) The organic ligand that is a raw material of the metal organic structure (MOF) is at least one selected from the group consisting of dicarboxylic acid, tricarboxylic acid, imidazole, benzimidazole, azabenzimidazole, and derivatives thereof. The method for producing a composite porous body according to any one of the above (5), (6), and (12) to (15).
(17) The method for producing a composite porous body according to the above (6), wherein the material for forming the coating layer having fine pores of 2 to 5 nm is γ-alumina.
(18) Adjusting at least one of the supply rate of the solution and the formation reaction rate of the metal organic structure (MOF) to form the metal organic structure (MOF) in the pores, (5) (6) The method for producing a composite porous body according to any one of (12) to (17).
(19) Increasing the concentration of the solution and / or increasing the temperature of the solution increases the formation reaction rate of the metal organic structure (MOF), and the metal organic structure (MOF) in the pores. The method for producing a composite porous body according to (18), wherein
(20) By using a porous base material having a small pore diameter and / or using a porous base material having a layer that prevents supply on the surface, the supply speed of the solution is reduced, and the metal is formed in the pores. The method for producing a composite porous body according to (18), wherein the organic structure (MOF) is formed.

本発明によれば、多孔質基材の細孔径が10μm以下であること、多孔質基材の細孔径測定で得られる多孔質基材の細孔径より複合多孔質体金属有機構造体(MOF)の結晶径が小さいことを特徴とする、多孔質基材の細孔中に金属有機構造体(MOF)の微結晶層を形成した多孔質複合膜を製造できる。このため、従来法において問題であった、多孔質基材表面の金属有機構造体(MOF)の結晶の脱離や耐久性の課題を克服することができる。さらに気体分離性能について、本発明の複合多孔質体は、同一の金属有機構造体(MOF)を用いた従来法と比較して大幅に高い気体分離性能を示すことを特徴とし、より高性能な複合多孔質体とその製造法を提供できる。   According to the present invention, the composite porous metal organic structure (MOF) is obtained from the fact that the pore diameter of the porous substrate is 10 μm or less and the pore diameter of the porous substrate obtained by measuring the pore diameter of the porous substrate. It is possible to produce a porous composite film in which a microcrystalline layer of a metal organic structure (MOF) is formed in the pores of a porous substrate, characterized by having a small crystal diameter. For this reason, it is possible to overcome the problems of the detachment and durability of the metal organic structure (MOF) crystals on the surface of the porous substrate, which were problems in the conventional method. Further, with respect to gas separation performance, the composite porous body of the present invention is characterized by exhibiting significantly higher gas separation performance compared to the conventional method using the same metal organic structure (MOF), and has higher performance. A composite porous body and a method for producing the same can be provided.

本発明の複合多孔質体の一実施形態と従来法の一実施形態を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows one Embodiment of the composite porous body of this invention, and one Embodiment of the conventional method. 本発明の複合多孔質体のX線回折測定結果の一実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one Embodiment of the X-ray-diffraction measurement result of the composite porous body of this invention. 本発明の複合多孔質体の作製法の一実施形態を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows one Embodiment of the production method of the composite porous body of this invention. 本発明の一実施例における走査型電子顕微鏡観察結果である。(a)は管外表面、(b)は管内表面を示す。It is a scanning electron microscope observation result in one Example of this invention. (a) shows the outer surface of the tube, and (b) shows the inner surface of the tube. 本発明の一実施例における断面の走査型電子顕微鏡観察結果(a)とエネルギー分散型X線分光法(EDX)の分析結果〔(b)Al、(c)O、(d)C、(e)Cu〕である。Scanning electron microscope observation results (a) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis results [(b) Al, (c) O, (d) C, (e ) Cu]. 本発明の一実施例における透過型電子顕微鏡観察結果である。It is a transmission electron microscope observation result in one Example of this invention. 本発明の一実施例におけるX線回折測定の結果である。It is a result of the X-ray diffraction measurement in one Example of this invention. 本発明の一実施例における気体透過度測定の結果である。It is a result of the gas permeability measurement in one Example of this invention.

以下に、本発明の複合多孔質体とその製造法について、さらに詳細かつ具体的に説明する。
図1は、本発明の複合多孔質体の一実施形態と従来法の一実施形態を示す模式断面図である。図1に示す本発明の複合多孔質体においては、多孔質基材の細孔の内部において金属有機構造体(MOF)の微結晶層を形成している。従来法においては、多孔質基材の表面上において、金属有機構造体(MOF)の結晶を形成している。
Hereinafter, the composite porous body of the present invention and the production method thereof will be described in more detail and specifically.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of a composite porous body of the present invention and one embodiment of a conventional method. In the composite porous body of the present invention shown in FIG. 1, a microcrystalline layer of metal organic structure (MOF) is formed inside the pores of the porous substrate. In the conventional method, a metal organic structure (MOF) crystal is formed on the surface of a porous substrate.

本発明の複合多孔質体は、多孔質基材の細孔内部において金属有機構造体(MOF)を形成した複合多孔質体であって、多孔質基材の細孔径が10μm以下であること、多孔質基材の細孔径測定で得られる多孔質基材の細孔径より複合多孔質体金属有機構造体(MOF)の結晶径が小さいこと、を特徴とする   The composite porous body of the present invention is a composite porous body in which a metal organic structure (MOF) is formed inside the pores of the porous substrate, and the pore diameter of the porous substrate is 10 μm or less, The crystal diameter of the composite porous metal organic structure (MOF) is smaller than the pore diameter of the porous substrate obtained by measuring the pore diameter of the porous substrate.

[細孔内部の説明]
本発明における多孔質基材の細孔内部とは、多孔質基材の一方の表面から他方の表面へ通じた直径10μm以下の空間の内部を指す。本発明の複合多孔質体は、多孔質基材の細孔内部に金属有機構造体(MOF)を形成した複合多孔質体である。これは、少なくとも多孔質基材の細孔内部に金属有機構造体(MOF)を形成した構造を意味するものであり、細孔内部と多孔質基材の表面に同時に金属有機構造体(MOF)を形成することを妨げるものではない。
[Description of pore interior]
In the present invention, the inside of the pores of the porous substrate refers to the inside of a space having a diameter of 10 μm or less that leads from one surface of the porous substrate to the other surface. The composite porous body of the present invention is a composite porous body in which a metal organic structure (MOF) is formed inside the pores of a porous substrate. This means a structure in which a metal organic structure (MOF) is formed at least inside the pores of the porous substrate. The metal organic structure (MOF) is simultaneously formed inside the pores and on the surface of the porous substrate. Does not prevent the formation of.

本発明において、多孔質基材の細孔内部において金属有機構造体(MOF)を形成した複合多孔質体の構造は、電子顕微鏡観察で確認できる。すなわち、複合多孔質体内部の電子顕微鏡観察と元素分析によって金属有機構造体(MOF)を構成する元素を検出することによって、確認が可能である。電子顕微鏡観察は、複合多孔質体の断面を走査型電子顕微鏡によって観察する方法が最も簡便であり、多孔質基材の細孔内部が閉塞された構造を確認できる。走査型電子顕微鏡と元素分析を組み合わせた方法では、金属有機構造体(MOF)を構成する元素を検出することによって、多孔質基材の細孔内部に金属有機構造体(MOF)を形成した複合多孔質体の構造を確認することができる。透過型電子顕微鏡と、これに元素分析を組み合わせた方法においても、さらに詳細に複合多孔質体の構造を確認することができる。   In the present invention, the structure of the composite porous body in which the metal organic structure (MOF) is formed inside the pores of the porous substrate can be confirmed by observation with an electron microscope. That is, confirmation can be made by detecting an element constituting the metal organic structure (MOF) by electron microscope observation and elemental analysis inside the composite porous body. For the electron microscope observation, a method of observing the cross section of the composite porous body with a scanning electron microscope is the simplest, and a structure in which the inside of the pores of the porous substrate is blocked can be confirmed. In a method combining scanning electron microscope and elemental analysis, a composite in which a metal organic structure (MOF) is formed inside the pores of a porous substrate by detecting elements constituting the metal organic structure (MOF). The structure of the porous body can be confirmed. Even in a transmission electron microscope and a method combining elemental analysis with this, the structure of the composite porous body can be confirmed in more detail.

本発明における細孔径測定は、パームポロメトリー法または水銀圧入法によって測定することができる。パームポロメトリー法は細孔中の最も広い部分を測定し、水銀圧入法は、細孔中の最も細いネック部分を測定する手法である。本手法においては多孔質基材の細孔の最も広い部分の内側に金属有機構造体(MOF)の微粒子が生成することから、最も最適な測定方法はパームポロメトリー法である。ただし、実際には水銀圧入法とパームポロメトリー法とは同程度の細孔径評価が可能であり、当業者によって双方が用いられている。本発明の細孔径測定においては、パームポロメトリー法と水銀圧入法の少なくとも一方の手法を用いて細孔径を測定することができるが、より好ましくはパームポロメトリー法を用いることができる。
[パームポロメトリー測定法の説明]
本発明におけるパームポロメトリー測定法は、バブルポイント法(JIS K3832)による貫通細孔評価手法を拡張した方法である。バブルポイント法は、多孔質基材の細孔内部に適当な液体を満たして膜状部分の片側から気体によって圧力をかけ、細孔径の大きな細孔から順に細孔中の液体が押し出されて最後に気体が泡状に吹き出す時の圧力値を用いて、細孔径を評価する方法である。パームポロメトリー測定法においては、多孔質基材の細孔内部に液体を満たした状態でバブルポイント法による測定とさらに圧力を上げて気体流量の変化を測定し、ウェットフローカーブを得る。次に多孔質基材を乾燥した状態で気体流量の変化を測定し、ドライフローカーブを得る。パームポロメトリー測定法において、ある測定圧力Pにおける多孔質基材の細孔径diは、次の式で求められる。
i=4σcosθ/Pi
ここで、σは液体の表面張力、θは液体と多孔質基材の材質との接触角である。diより大きい細孔径の累積割合(%)である細孔径の累積分布Diは、次の式で求められる。
i=100×(FDi−FWi)/FDi
ここで、FDiはドライフローカーブにおける流量の値、FWiはウェットフローカーブにおける流量の値である。ここで求めた細孔径の累積分布から、多孔質基材の平均細孔径(該累積分布Diの50%におけるdi)を求めることができる。
[水銀圧入測定法の説明]
本発明における水銀圧入法は、一般的に多くの多孔物質の口径および空隙率を測定するために用いられており、3nmから500nm程度の広い細孔径の測定が可能である。水銀は毛細管力が高くほとんどの物質に対して接触角が90°以上になる。毛細管力以上の圧力を水銀にかけることで細孔の中に水銀が入るので、この性質を利用して細孔径を見積もることができる。毛細管モデルの式は、以下となる。
r=−2σCOSθ/P
ここで、rは細孔半径、σは水銀の表面張力で484erg/cm2、θは接触角で140°前後である。さらに、圧入時の水銀の体積減少を測定するポロシメーターを用いることにより、細孔径分布を測定することも可能である。
In the present invention, the pore diameter can be measured by a palm porometry method or a mercury intrusion method. The palm porometry method measures the widest portion in the pore, and the mercury intrusion method measures the narrowest neck portion in the pore. In this method, since the metal organic structure (MOF) fine particles are generated inside the widest part of the pores of the porous substrate, the most optimal measurement method is the palm porometry method. However, in practice, the mercury intrusion method and the palm porometry method can be evaluated to the same degree of pore diameter, and both are used by those skilled in the art. In the pore diameter measurement of the present invention, the pore diameter can be measured by using at least one of the palm porometry method and the mercury intrusion method, and more preferably, the palm porometry method can be used.
[Description of palm porometry measurement method]
The palm porometry measurement method in the present invention is an extended method of the through pore evaluation method by the bubble point method (JIS K3832). In the bubble point method, an appropriate liquid is filled in the pores of the porous substrate, pressure is applied by gas from one side of the membrane portion, and the liquid in the pores is extruded in order from the pores with the largest pore diameter. In this method, the pore diameter is evaluated using the pressure value when the gas is blown out in the form of bubbles. In the palm porometry measurement method, in the state where the pores of the porous substrate are filled with a liquid, the measurement by the bubble point method and the pressure are further increased to measure the change in the gas flow rate to obtain a wet flow curve. Next, a change in the gas flow rate is measured in a state where the porous substrate is dried to obtain a dry flow curve. In Palm Polo cytometry assay, the pore diameter d i of the porous substrate in the measured pressure P i that is obtained by the following equation.
d i = 4σ cos θ / P i
Here, σ is the surface tension of the liquid, and θ is the contact angle between the liquid and the material of the porous substrate. The cumulative distribution D i of pore diameters, which is the cumulative ratio (%) of pore diameters greater than d i , is obtained by the following equation.
D i = 100 × (F Di −F Wi ) / F Di
Here, F Di is a flow rate value in the dry flow curve, and F Wi is a flow rate value in the wet flow curve. Here the cumulative distribution of pore diameter determined, can be determined (d i in 50% of該累product distribution D i) an average pore diameter of the porous substrate.
[Description of mercury intrusion measurement method]
The mercury intrusion method in the present invention is generally used for measuring the diameter and porosity of many porous materials, and can measure a wide pore diameter of about 3 nm to 500 nm. Mercury has a high capillary force and a contact angle of 90 ° or more for most substances. Since mercury enters the pores by applying a pressure higher than the capillary force to the mercury, the pore diameter can be estimated using this property. The equation for the capillary model is:
r = -2σCOSθ / P
Here, r is the pore radius, σ is the surface tension of mercury, 484 erg / cm 2 , and θ is the contact angle of around 140 °. Furthermore, it is also possible to measure the pore size distribution by using a porosimeter that measures the volume reduction of mercury during press-fitting.

本発明における結晶径の評価は、透過型電子顕微鏡による方法、またはX線回折測定による方法を用いることができ、より好ましくは透過型電子顕微鏡による測定を用いることができる。
[本発明における透過型電子顕微鏡測定]
本発明における透過型電子顕微鏡測定は、一般的な透過型電子顕微鏡を用いて行うことができる。厚さ100nm程度の薄片を作製し、透過型電子顕微鏡を用いて観察することで、多孔質基材の細孔中に形成された金属有機構造体(MOF)の微粒子の直接観察を行うことで、微粒子大きさを測定することが可能である。透過型電子顕微鏡による測定においては、多孔質基材の任意の3か所の細孔の内部の観察を行い、それぞれの細孔の内側から任意に抽出された3個の結晶粒子について、重心を通る長径と短径を測定する。これらから得られた合計9個の結晶径の平均値を、複合多孔体の細孔中に存在する結晶粒子の平均結晶径として用いる。
[本発明におけるX線回折測定]
本発明におけるX線回折測定は、CuKα線(波長0.15418nm)の入射角を変えながら回折強度を測定することで、本発明の複合多孔質体の構造を解析する手法である。この測定により、第1には複合多孔質体に形成された結晶の格子構造を確認することができる。これは、得られたX線回折測定の結果を既往の非特許文献に記載のデータと比較することで、容易に達せられる。第2には、複合多孔質体に形成された結晶の結晶径を解析することができる。この方法で得られる結晶径は、測定部分に存在する金属有機構造体(MOF)の平均の結晶径である。これは一般的に知られるシェラーの式に基づく解析方法であり、結晶径Dは以下の式によって求められる(下記参考文献参照)。
D=Kλ/Bcosθ
B=Bobs−b
ここで、Kはシェラーの定数であり一般的には0.89、λはX線の波長でありCuKα線の場合は0.15418nm、θはX線の入射角、BはX線回折ピークの半値全幅、BobsはX線回折ピークの半値全幅の測定値、bは装置によるX線回折ピークの広がりである。Bobsは図2に示す通り、X線回折測定における回折ピークの半値全幅として得られる値である。bは、複合多孔質体とは別に作製した十分に大きな結晶を用いて測定したX線回折測定から得られるX線回折ピークの半値全幅である。
[参考文献]Guinier. A(1963). X-ray Diffraction. San Francisco: Freeman & Co.
For the evaluation of the crystal diameter in the present invention, a method using a transmission electron microscope or a method using X-ray diffraction measurement can be used, and measurement using a transmission electron microscope can be more preferably used.
[Transmission electron microscope measurement in the present invention]
The transmission electron microscope measurement in the present invention can be performed using a general transmission electron microscope. By producing a thin piece with a thickness of about 100 nm and observing it with a transmission electron microscope, direct observation of fine particles of the metal organic structure (MOF) formed in the pores of the porous substrate is performed. It is possible to measure the particle size. In the measurement with a transmission electron microscope, the inside of any three pores of the porous substrate is observed, and the center of gravity of the three crystal particles arbitrarily extracted from the inside of each pore is determined. Measure the major and minor diameters that pass through. The average value of a total of nine crystal diameters obtained from these is used as the average crystal diameter of the crystal particles present in the pores of the composite porous body.
[X-ray diffraction measurement in the present invention]
The X-ray diffraction measurement in the present invention is a technique for analyzing the structure of the composite porous body of the present invention by measuring the diffraction intensity while changing the incident angle of the CuKα ray (wavelength 0.15418 nm). By this measurement, first, the lattice structure of the crystal formed in the composite porous body can be confirmed. This can be easily achieved by comparing the obtained X-ray diffraction measurement results with the data described in the past non-patent literature. Second, the crystal diameter of the crystals formed in the composite porous body can be analyzed. The crystal diameter obtained by this method is the average crystal diameter of the metal organic structure (MOF) present in the measurement part. This is an analysis method based on the generally known Scherrer equation, and the crystal diameter D is obtained by the following equation (see the following reference).
D = Kλ / Bcos θ
B = B obs −b
Here, K is Scherrer's constant, generally 0.89, λ is the X-ray wavelength, CuKα ray is 0.15418 nm, θ is the X-ray incident angle, and B is the X-ray diffraction peak. The full width at half maximum, B obs is a measured value of the full width at half maximum of the X-ray diffraction peak, and b is the spread of the X-ray diffraction peak by the apparatus. B obs is a value obtained as the full width at half maximum of the diffraction peak in the X-ray diffraction measurement, as shown in FIG. b is the full width at half maximum of the X-ray diffraction peak obtained from the X-ray diffraction measurement measured using a sufficiently large crystal prepared separately from the composite porous body.
[References] Guinier. A (1963). X-ray Diffraction. San Francisco: Freeman & Co.

[請求項1についてのまとめ]
本発明の請求項1に記載の複合多孔質体は、以上の解析方法に基づいて特徴づけることが可能である。すなわち、多孔質基材の細孔内部に金属有機構造体(MOF)が存在することは、電子顕微鏡と元素分析を組み合わせた解析によって確認できる。多孔質基材の細孔径は、パームポロメトリー測定や水銀圧入測定法によって測定が可能である。X線回折測定によって、金属有機構造体(MOF)の結晶の格子構造を確認することが可能であり、さらに金属有機構造体(MOF)の結晶径をシェラーの式に基づいて解析できるし、透過型電子顕微鏡測定によって求めることもできる。以上の方法によって、本発明の複合多孔質体の特徴を、確認することができる。
[Summary about claim 1]
The composite porous body according to claim 1 of the present invention can be characterized based on the above analysis method. That is, the presence of the metal organic structure (MOF) in the pores of the porous substrate can be confirmed by analysis combining an electron microscope and elemental analysis. The pore diameter of the porous substrate can be measured by palm porometry measurement or mercury porosimetry. It is possible to confirm the lattice structure of the metal organic structure (MOF) crystal by X-ray diffraction measurement. Furthermore, the crystal diameter of the metal organic structure (MOF) can be analyzed based on Scherrer's equation, and transmitted. It can also be determined by means of a scanning electron microscope. With the above method, the characteristics of the composite porous body of the present invention can be confirmed.

[多孔質基材]
本発明における多孔質基材は、ある一面から別の面(好ましくは、前記一面と反対側の面)へ連通し、細孔径測定による平均細孔径が10μm以下である細孔を有するものである。細孔径測定による平均細孔径が10μmを超えると、多孔質基材の細孔を金属有機構造体(MOF)で充填する上で、欠陥の無い緻密な充填を行うことが困難になる等の点で望ましくないので、本発明では、10μm以下と規定している。該平均細孔径は、好ましくは5μm以下、より好ましくは1μm以下である。パームポロメトリー測定法による平均細孔径は、細孔の内部に金属有機構造体(MOF)が形成される限り、どのように小さくても良い。金属有機構造体(MOF)を内部に形成することのできる該平均細孔径は、通常、10nm程度以上(好ましくは50nm以上)である。(細孔径は50nm程度から10μm程度まで各種が作製可能である。)
[Porous substrate]
The porous substrate in the present invention has pores that communicate from one surface to another surface (preferably, the surface opposite to the one surface), and have an average pore diameter of 10 μm or less by pore diameter measurement. . When the average pore diameter measured by the pore diameter exceeds 10 μm, it becomes difficult to perform fine filling without defects when filling the pores of the porous substrate with the metal organic structure (MOF). In the present invention, it is defined as 10 μm or less. The average pore diameter is preferably 5 μm or less, more preferably 1 μm or less. The average pore diameter measured by the palm porometry method may be as small as the metal organic structure (MOF) is formed inside the pore. The average pore diameter capable of forming a metal organic structure (MOF) inside is usually about 10 nm or more (preferably 50 nm or more). (Various pore diameters from about 50 nm to about 10 μm can be produced.)

該多孔質基材の材質は、限定するものではないが、α−アルミナ、ジルコニア、チタニア、炭化ケイ素、マグネシア、ガラス、カーボン、ゼオライト、粘土鉱物、PTFE、ポリイミド、ポリエチレンおよびこれらの誘導体からなる群より選ばれた少なくとも一種とすることができる。これらのうちより好ましくは、α−アルミナ、ジルコニア、チタニア、ガラスおよびこれらの誘導体であり、さらに好ましくは、α−アルミナとこれの誘導体である。α−アルミナはAl23の組成を持つセラミック材料である。 The material of the porous substrate is not limited, but includes α-alumina, zirconia, titania, silicon carbide, magnesia, glass, carbon, zeolite, clay mineral, PTFE, polyimide, polyethylene and derivatives thereof. It can be at least one kind selected. Of these, α-alumina, zirconia, titania, glass, and derivatives thereof are more preferable, and α-alumina and derivatives thereof are more preferable. α-alumina is a ceramic material having a composition of Al 2 O 3 .

本発明における多孔質基材は、複数種類の材料の積層構造体であっても良いし、二種類又はそれ以上の種類の材料が海−島構造等の適宜のパターンで分散した構造体であっても良い。例えば、多孔質基材の一面と別の面の一方に、予め、3〜6nm程度の微細孔を有する被覆層を形成しておくことができる。そのような微細孔を有する被覆層を多孔質基材の一方の面に形成しておくと、原料溶液が膜の細孔中に侵入する際の抵抗となって、金属有機構造体(MOF)の薄い層を形成する点で望ましい。そのような微細孔を有する被覆層の材料としては、例えばγ−アルミナ、高分子の被覆等を用いることができる。(α−アルミナの誘導体として、表面を細孔径が4nm程度のγ−アルミナで被覆した多孔質基材を用いることもできる。)高分子の被覆としては、ポリエーテル、ポリフェニレンオキサイド、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、PTFE、ナイロンからなる群から選択される少なくとも一種を用いることができる。   The porous substrate in the present invention may be a laminated structure of a plurality of types of materials, or a structure in which two or more types of materials are dispersed in an appropriate pattern such as a sea-island structure. May be. For example, a coating layer having fine pores of about 3 to 6 nm can be formed in advance on one surface of the porous substrate and the other surface. When a coating layer having such fine pores is formed on one surface of the porous substrate, it becomes a resistance when the raw material solution penetrates into the pores of the membrane, and a metal organic structure (MOF) It is desirable in that a thin layer is formed. As a material for the coating layer having such fine pores, for example, γ-alumina, polymer coating, or the like can be used. (As a derivative of α-alumina, a porous substrate whose surface is coated with γ-alumina having a pore diameter of about 4 nm can also be used.) As a polymer coating, polyether, polyphenylene oxide, polyethylene, polyimide, At least one selected from the group consisting of polyamide, PTFE, and nylon can be used.

多孔質基材の形状については、作製可能な各種の形状の多孔質基材を用いることが可能であり、限定するものではないが、例えば、平板状、曲板状、波板状、管状、円筒状、角筒状、またはモノリス状等の形状を用いることができる。モノリス状の多孔質基材は、一例として円筒状の形状の内側に多数の貫通孔が開いた構造である。多孔質基材の厚みは、限定するものではないが、50−1000μm、好ましくは100−800μm、より好ましくは200−500μmとすることができる。   Regarding the shape of the porous substrate, it is possible to use porous substrates of various shapes that can be produced, and are not limited, for example, flat plate shape, curved plate shape, corrugated plate shape, tubular shape, A shape such as a cylindrical shape, a rectangular tube shape, or a monolith shape can be used. As an example, the monolithic porous substrate has a structure in which a large number of through holes are opened inside a cylindrical shape. The thickness of the porous substrate is not limited, but can be 50 to 1000 μm, preferably 100 to 800 μm, and more preferably 200 to 500 μm.

[金属有機構造体(MOF)の説明]
本発明における金属有機構造体(MOF:Metal-Organic Framework)は、金属イオンと有機配位子が配位結合を形成し、この基本構造が連続して結晶構造まで成長したものである。金属有機構造体(MOF)は多孔質物質であり、結晶格子内に0.3nm程度から3nm程度の細孔構造を持ち、比表面積は1000−2000m2/g程度から最大では5000m2/gを超えるものまで報告されている。金属有機構造体(MOF)の中でも特にゼオライト骨格を有するゼオライトイミダゾレート構造体(ZIF:Zeolitic Imidazolate Framework)があるが、ゼオライトイミダゾレート構造体(ZIF)も金属イオンと有機配位子の配位結合によって構造を形成しており、金属有機構造体(MOF)の一部に分類される。
本発明において用いることのできる金属有機構造体(MOF)としては、例えば、Cu−BTC、MOF−5、IRMOF−3、MIL−47、MIL−53、MIL−96、MMOF、SIM−1、ZIF−7、ZIF−8、ZIF−22、ZIF−69、ZIF−90が挙げられるが、金属有機構造体(MOF)は200種類以上の構造が存在するため、これだけに限定されるものではない。
[Description of Metal Organic Structure (MOF)]
In the metal organic structure (MOF: Metal-Organic Framework) in the present invention, a metal ion and an organic ligand form a coordinate bond, and this basic structure is continuously grown to a crystal structure. Metal organic structures (MOF) is a porous material, having a pore structure of approximately 3nm from about 0.3nm in the crystal lattice, the specific surface area of 5000 m 2 / g is up to the order of 1000-2000m 2 / g It has been reported to exceed. Among metal organic structures (MOF), there is a zeolite imidazolate structure (ZIF) with a zeolite skeleton, but the zeolite imidazolate structure (ZIF) is also a coordinate bond between a metal ion and an organic ligand. The structure is formed by the above, and is classified as a part of metal organic structure (MOF).
Examples of the metal organic structure (MOF) that can be used in the present invention include Cu-BTC, MOF-5, IRMOF-3, MIL-47, MIL-53, MIL-96, MMOF, SIM-1, and ZIF. -7, ZIF-8, ZIF-22, ZIF-69, and ZIF-90 are mentioned, but the metal organic structure (MOF) is not limited to this because there are more than 200 kinds of structures.

[金属有機構造体(MOF)原料の説明]
本発明の金属有機構造体(MOF)は金属イオンと有機配位子によって形成される。金属有機構造体(MOF)の原料は、溶液中で金属イオンを得ることができる金属塩と、有機配位子である。これは、金属塩と有機配位子の両方について少なくともそれぞれ1種類を原料に用いることを意味し、必要であれば複数の種類を原料に用いることを妨げるものではない。さらに必要であれば、金属塩と有機配位子以外の原料も用いることができる。
[Description of raw materials for metal organic structure (MOF)]
The metal organic structure (MOF) of the present invention is formed by a metal ion and an organic ligand. The raw materials for the metal organic structure (MOF) are a metal salt capable of obtaining a metal ion in a solution and an organic ligand. This means that at least one of each of the metal salt and the organic ligand is used as a raw material, and does not preclude the use of a plurality of types as raw materials if necessary. Furthermore, if necessary, raw materials other than metal salts and organic ligands can be used.

[金属塩の説明]
本発明の金属有機構造体(MOF)原料として用いる金属塩は、各種の金属元素を含むものから選択することができる。金属塩に含まれる金属元素としては、好ましくはCu、Zn、Co、In、Al、Fe、V、Mg、Mn、Ni、Ru、Mo、Cr、W、RhおよびPdからなる群より選択される元素であり、より好ましくはCu、Zn、Co、In、Al、Fe、Vからなる群より選択される元素であり、さらに好ましくはCu、Zn、Coからなる群より選択される元素である。
[Description of metal salt]
The metal salt used as the metal organic structure (MOF) raw material of the present invention can be selected from those containing various metal elements. The metal element contained in the metal salt is preferably selected from the group consisting of Cu, Zn, Co, In, Al, Fe, V, Mg, Mn, Ni, Ru, Mo, Cr, W, Rh and Pd. An element, more preferably an element selected from the group consisting of Cu, Zn, Co, In, Al, Fe, and V, and still more preferably an element selected from the group consisting of Cu, Zn, and Co.

前記の金属元素を含む金属塩としては、金属硝酸塩、金属硫酸塩、金属塩化物、金属臭化物、金属ヨウ化物、金属フッ化物、金属炭酸塩、金属蟻酸塩、金属リン酸塩、金属硫化物および金属水酸化物からなる群より選択することができる。より好ましくは、金属硝酸塩および金属塩化物からなる群から選択される金属塩である、   Examples of the metal salt containing the metal element include metal nitrate, metal sulfate, metal chloride, metal bromide, metal iodide, metal fluoride, metal carbonate, metal formate, metal phosphate, metal sulfide and It can be selected from the group consisting of metal hydroxides. More preferably, it is a metal salt selected from the group consisting of metal nitrates and metal chlorides,

本発明において用いることのできる具体的な金属塩は、好ましくは硝酸銅、硝酸亜鉛、硝酸コバルト、硝酸インジウム、硝酸アルミニウム、硝酸鉄、硝酸バナジウム、塩化銅、塩化亜鉛、塩化コバルト、塩化インジウム、塩化アルミニウム、硝酸塩化鉄および塩化バナジウムからなる群より選択される金属塩であり、より好ましくは硝酸銅、硝酸亜鉛、硝酸コバルト、硝酸インジウムおよび塩化バナジウムからなる群から選択される金属塩である。   Specific metal salts that can be used in the present invention are preferably copper nitrate, zinc nitrate, cobalt nitrate, indium nitrate, aluminum nitrate, iron nitrate, vanadium nitrate, copper chloride, zinc chloride, cobalt chloride, indium chloride, chloride. A metal salt selected from the group consisting of aluminum, iron nitrate chloride and vanadium chloride, more preferably a metal salt selected from the group consisting of copper nitrate, zinc nitrate, cobalt nitrate, indium nitrate and vanadium chloride.

[有機配位子の説明]
本発明における有機配位子は、上述の金属元素の金属イオンと配位結合を形成する有機配位子から選択される。該有機配位子は、ジカルボン酸、トリカルボン酸、イミダゾール、ベンゾイミダゾール、アザベンゾイミダゾールおよびこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも一種とすることができる。
[Description of organic ligands]
The organic ligand in the present invention is selected from organic ligands that form coordinate bonds with the metal ions of the above-described metal elements. The organic ligand can be at least one selected from the group consisting of dicarboxylic acid, tricarboxylic acid, imidazole, benzimidazole, azabenzimidazole, and derivatives thereof.

ジカルボン酸として用いることができる有機配位子は、好ましくはイソフタル酸、テレフタル酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸およびビフェニレンジカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種である。   The organic ligand that can be used as the dicarboxylic acid is preferably at least one selected from the group consisting of isophthalic acid, terephthalic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid and biphenylenedicarboxylic acid. is there.

トリカルボン酸として用いることができる有機配位子は、好ましくは1,2,3−ベンゼントリカルボン酸および1,3,5−ベンゼントリカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種である。テトラカルボン酸として用いることができる有機配位子は、好ましくは1,2,3,4−ベンゼンテトラカルボン酸および1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種である。   The organic ligand that can be used as the tricarboxylic acid is preferably at least one selected from the group consisting of 1,2,3-benzenetricarboxylic acid and 1,3,5-benzenetricarboxylic acid. The organic ligand that can be used as the tetracarboxylic acid is preferably at least one selected from the group consisting of 1,2,3,4-benzenetetracarboxylic acid and 1,2,4,5-benzenetetracarboxylic acid It is.

さらに、選択されるこれらの有機配位子は、必要に応じて骨格中に別の置換基として、ヒドロキシル基、アミノ基、メトキシ基、メチル基、ニトロ基、メチルアミノ基、ジメチルアミノ基、シアノ基、クロロ基、ブロモ基およびフルオロ基を有することができる。   In addition, these selected organic ligands are optionally substituted with another substituent in the skeleton, such as hydroxyl group, amino group, methoxy group, methyl group, nitro group, methylamino group, dimethylamino group, cyano group. Groups, chloro groups, bromo groups and fluoro groups.

[製造法の説明]
本発明の複合多孔質体の製造法は、金属有機構造体(MOF)を多孔質基材の細孔内部に形成するにあたり、該細孔内部に金属有機構造体(MOF)が形成される条件で、上記金属塩と上記有機配位子を多孔質基材の一面と他面の両側から(多孔質基材が膜状である場合、膜状部分の両側から)それぞれ溶液の状態で供給することを特徴とする、複合多孔質体の製造法である。多孔質基材の膜状部分の両側から溶液を供給する際には、細孔内部に溶液を十分に導入するために、あらかじめ多孔質基材を真空下に置いた状態で溶液を導入する等の方法を講じる。図3に示す本発明の複合多孔質体の作製法の一実施形態を示す模式断面図においては、多孔質基材の膜状部分の両側からそれぞれ金属塩と有機配位子を溶液の状態で供給する製造法を模式図として示している。
細孔中において金属有機構造体(MOF)を形成する条件とは、多孔質基材の細孔の内部において金属有機構造体(MOF)を形成する反応を行う条件である。この条件は、例えば、次の(1)〜(3)等のように、反応物質(原料溶液)の供給速度と金属有機構造体(MOF)を形成する反応速度の関係を適切に調整することにより実現することができる。
(1)原料溶液の供給速度を変化せず、多孔質基材の細孔中における金属有機構造体(MOF)の形成反応速度を高くする。
このためには、例えば、反応溶液の濃度を上げること、反応溶液の温度を上げること、などが挙げられる。この際に、選択した反応温度においても耐久性を失わない多孔質基材を用いる必要がある。
(2)金属有機構造体(MOF)の形成反応速度を変化せず、原料溶液の供給速度を遅くする。
このためには、多孔質基材の細孔径の小さいものを用いること、表面に供給を妨げる誘導体の層を持つ多孔質基材を用いること、などが挙げられる。
(3)原料溶液の供給速度と、多孔質基材の細孔中における金属有機構造体(MOF)の形成反応速度との両方を調整する。
用いる金属有機構造体(MOF)の種類によりこれらの適切な供給速度や反応速度は異なるが、MOFの形成位置等の形成状況を確認しつつそれらを調整することにより、金属有機構造体(MOF)を細孔の内部において形成した構造を形成することが可能である。
[Description of manufacturing method]
In the method for producing a composite porous body of the present invention, when the metal organic structure (MOF) is formed inside the pores of the porous substrate, the conditions under which the metal organic structure (MOF) is formed inside the pores. Then, the metal salt and the organic ligand are supplied in a solution state from one side and the other side of the porous substrate (when the porous substrate is a film, from both sides of the membrane part). This is a method for producing a composite porous body. When supplying the solution from both sides of the membrane part of the porous substrate, in order to sufficiently introduce the solution into the pores, the solution is introduced in a state where the porous substrate is previously placed under vacuum, etc. Take the method. In the schematic cross-sectional view showing one embodiment of the method for producing the composite porous body of the present invention shown in FIG. 3, the metal salt and the organic ligand are respectively in a solution state from both sides of the film-like portion of the porous substrate. The manufacturing method to supply is shown as a schematic diagram.
The condition for forming the metal organic structure (MOF) in the pores is a condition for performing a reaction for forming the metal organic structure (MOF) inside the pores of the porous substrate. For this condition, for example, as in the following (1) to (3), the relationship between the supply rate of the reactant (raw material solution) and the reaction rate for forming the metal organic structure (MOF) should be adjusted appropriately. Can be realized.
(1) The formation reaction rate of the metal organic structure (MOF) in the pores of the porous substrate is increased without changing the feed rate of the raw material solution.
For this purpose, for example, raising the concentration of the reaction solution, raising the temperature of the reaction solution, and the like can be mentioned. At this time, it is necessary to use a porous substrate that does not lose its durability even at the selected reaction temperature.
(2) The rate of forming the metal organic structure (MOF) is not changed, and the feed rate of the raw material solution is decreased.
For this purpose, use of a porous substrate having a small pore diameter, use of a porous substrate having a derivative layer that hinders supply on the surface, and the like can be mentioned.
(3) Both the feed rate of the raw material solution and the formation reaction rate of the metal organic structure (MOF) in the pores of the porous substrate are adjusted.
These appropriate supply rates and reaction rates differ depending on the type of metal organic structure (MOF) to be used, but by adjusting the formation status such as the MOF formation position, the metal organic structure (MOF) Can be formed inside the pores.

ここで多孔質基材の膜状部分の両側からそれぞれ金属塩と有機配位子を溶液の状態で供給するというのは、管状または平板状またはモノリス状等の形状の膜によって隔てられた空間にそれぞれ金属塩と有機配位子の溶液が供給されることを意味し、これらの溶液が膜以外の空間において混合しないことを意味する。このためには、用いる多孔質膜は適切な方法で封止される必要があり、管状膜やモノリス状の膜であれば端部を封止して反応容器に配置し、平板状であれば適切な反応容器を用いて両面に溶液が別々に供給されるように配置する必要がある。   Here, supplying the metal salt and the organic ligand in the form of a solution from both sides of the membrane-like portion of the porous substrate means that the space is separated by a membrane having a tubular, flat plate, or monolith shape. It means that a solution of a metal salt and an organic ligand is supplied respectively, and means that these solutions do not mix in a space other than the membrane. For this purpose, the porous membrane to be used needs to be sealed by an appropriate method. If it is a tubular membrane or a monolithic membrane, the end is sealed and placed in the reaction vessel, and if it is flat, It must be arranged so that the solution is supplied separately on both sides using a suitable reaction vessel.

[溶液について]
本発明の複合多孔質体の製造法において、溶液の状態とは、金属塩と有機配位子がそれぞれ適切な溶媒に溶解した状態を意味する。金属塩と有機配位子をそれぞれ溶解する際に用いる溶媒は、同一のものである必要は無い。また、溶媒は複数種を混合して用いることもできる。溶媒としては、水、アルコール類、酸アミド類、環状エーテル類、ケトン類、ニトリル類および芳香族類からなる群から選択される少なくとも一種を使用することができる。
[About the solution]
In the method for producing a composite porous body of the present invention, the state of a solution means a state in which a metal salt and an organic ligand are dissolved in an appropriate solvent. The solvents used for dissolving the metal salt and the organic ligand do not need to be the same. Moreover, a solvent can also be used in mixture of multiple types. As the solvent, at least one selected from the group consisting of water, alcohols, acid amides, cyclic ethers, ketones, nitriles and aromatics can be used.

アルコール類としては、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノールおよびt−ブタノールからなる群から選択される少なくとも一種を使用することができる。酸アミド類としては、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミド、t−ブチルホルムアミド、アセトアミド、ジメチルアセトアミド、ジエチルアセトアミドおよびt−ブチルアセトアミドからなる群から選択される少なくとも一種を使用することができる。環状エーテル類としては、テトラヒドロフランおよびジオキサンからなる群から選択される少なくとも一種を使用することができる。ケトン類としては、アセトンおよびメチルエチルケトンから選択される少なくとも一種を使用することができる。芳香族類としては、トルエン、キシレン、クロロベンゼンおよびクロロメチルベンゼンから選択される少なくとも一種を使用することができる。   As the alcohol, at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, isobutanol and t-butanol can be used. As the acid amide, at least one selected from the group consisting of formamide, dimethylformamide, diethylformamide, t-butylformamide, acetamide, dimethylacetamide, diethylacetamide and t-butylacetamide can be used. As the cyclic ether, at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran and dioxane can be used. As the ketones, at least one selected from acetone and methyl ethyl ketone can be used. As the aromatics, at least one selected from toluene, xylene, chlorobenzene and chloromethylbenzene can be used.

[複合多孔質体の製造条件について]
本発明の複合多孔質体の製造法においては、選択した金属塩と有機配位子の反応性と、選択した溶媒の沸点から、最適な反応温度を選択することが望ましい。一般に金属有機構造体(MOF)は、室温から250℃程度の温度範囲において合成を行う。この合成の際に、反応温度が用いる溶媒の沸点に近く溶媒の減少が大きい場合、また反応温度が用いる溶媒の沸点より高い場合には、加圧条件下において反応を行う。加圧条件下における反応においては、一般に入手可能な加圧反応容器を用いることが可能である。例えば、水とエタノールをそれぞれ用いて120℃において反応を行う場合、水とアルコールの双方の沸点を超える温度であるため、加圧反応容器に封入して反応を行う。
[Production conditions for composite porous bodies]
In the method for producing a composite porous body of the present invention, it is desirable to select an optimum reaction temperature from the reactivity of the selected metal salt and organic ligand and the boiling point of the selected solvent. In general, a metal organic structure (MOF) is synthesized in a temperature range from room temperature to about 250 ° C. In this synthesis, when the reaction temperature is close to the boiling point of the solvent to be used and the decrease in the solvent is large, or when the reaction temperature is higher than the boiling point of the solvent to be used, the reaction is performed under pressurized conditions. In the reaction under a pressurized condition, it is possible to use a generally available pressurized reaction vessel. For example, when the reaction is performed at 120 ° C. using water and ethanol, respectively, the temperature exceeds the boiling points of both water and alcohol.

以下、実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、このような実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜材料変更、設定調整、設計変更することが可能である。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the present invention is not limited to such examples, and material changes, setting adjustments, and design changes are made as appropriate without departing from the gist of the present invention. It is possible.

[実施例1]
本発明に基づく実施例として、α−アルミナの管状多孔質基材と金属有機構造体(MOF)の一種であるMOF−199(Cu−BTC)を複合化した多孔質複合膜を示す。
[Example 1]
As an example based on the present invention, a porous composite membrane in which MOF-199 (Cu-BTC), which is a kind of metal organic structure (MOF), is combined with an α-alumina tubular porous substrate is shown.

本実施例で用いたα−アルミナの管状多孔質基材は、外径約3mm、内径約2.4mm、水銀圧入測定法による平均細孔径約100nmの中空管である。α−アルミナの管状多孔質膜は、膜部分を隔てるために一方を溶融ガラスで封止した。多孔質基材を真空処理をした後に硝酸銅2.5水和物の水溶液0.3Mを中空管内側に供給することで、多孔質膜の細孔内部全体に溶液を導入する。溶融ガラスで封止した端部を下側にしてあらかじめ75℃に加熱したトリメシン酸のエタノール溶液0.2Mを満たした反応容器に浸し、その反応容器をオートクレーブ中に配置して120℃において6時間、反応を行った。ここで、トリメシン酸のエタノール溶液をあらかじめ75℃に加熱することが、多孔質基材の内部においてMOF−199(Cu−BTC)を形成する条件である。反応後にエタノールの50%水溶液を用いて、75℃において24時間の洗浄を行い、その後真空乾燥を行った。得られた複合多孔質体の走査型電子顕微鏡観察と、断面の元素分析およびX線回折測定を行った。気体透過測定装置を用いて、ヘリウム、水素、二酸化炭素、酸素、窒素、メタン、4フッ化炭素、六フッ化硫黄の透過度を測定した。   The α-alumina tubular porous substrate used in this example is a hollow tube having an outer diameter of about 3 mm, an inner diameter of about 2.4 mm, and an average pore diameter of about 100 nm by mercury porosimetry. One of the α-alumina tubular porous membranes was sealed with molten glass to separate the membrane portions. The solution is introduced into the entire pores of the porous membrane by supplying 0.3 M aqueous solution of copper nitrate 2.5 hydrate to the inside of the hollow tube after vacuum processing the porous substrate. Immerse it in a reaction vessel filled with 0.2M ethanol solution of trimesic acid heated to 75 ° C. with the end sealed with molten glass facing down, and place the reaction vessel in an autoclave for 6 hours at 120 ° C. The reaction was performed. Here, heating the ethanol solution of trimesic acid to 75 ° C. in advance is a condition for forming MOF-199 (Cu-BTC) inside the porous substrate. After the reaction, washing was performed at 75 ° C. for 24 hours using a 50% aqueous solution of ethanol, followed by vacuum drying. Observation of the obtained composite porous body with a scanning electron microscope, elemental analysis of the cross section, and X-ray diffraction measurement were performed. The permeability of helium, hydrogen, carbon dioxide, oxygen, nitrogen, methane, carbon tetrafluoride, and sulfur hexafluoride was measured using a gas permeation measuring device.

図4に示す走査型電子顕微鏡観察から、本実施例で得られた多孔質複合膜は、図4(a)に示す管外表面においてCu−BTCの結晶が観察されたが同時に多孔質基材の露出も認められた。図4(b)に示す中空管内部においてはCu−BTCの結晶は観察されなかった。また、図5に示す中空管軸直角断面の元素分析の測定結果から、該断面の外表面から深さ方向に約40μmの層状の範囲において図5(d)に示す炭素元素と図5(e)に示す銅元素の存在が確認された。   From the observation with a scanning electron microscope shown in FIG. 4, the porous composite film obtained in this example showed that a Cu-BTC crystal was observed on the outer surface of the tube shown in FIG. Exposure was also observed. Cu-BTC crystals were not observed inside the hollow tube shown in FIG. In addition, from the measurement results of the elemental analysis of the cross section perpendicular to the hollow tube axis shown in FIG. 5, the carbon element shown in FIG. 5 (d) and FIG. The presence of the copper element shown in e) was confirmed.

図7に示すX線回折測定の結果から、図7(c)に示す本実施例で得られた多孔質複合膜は、図7(b)に示すCu−BTCの単体を合成する条件で作製されたCu−BTCと同じ位置に回折ピークを示し、Cu−BTCの存在が確認された。走査型電子顕微鏡観察、元素分析およびX線回折測定の結果から、Cu−BTCはα−アルミナの管状多孔質基材の外表面から深さ方向に約40μmの層状の範囲において存在していることが明らかにされた。   From the result of the X-ray diffraction measurement shown in FIG. 7, the porous composite film obtained in this example shown in FIG. 7 (c) was produced under the conditions for synthesizing the simple substance of Cu-BTC shown in FIG. 7 (b). The diffraction peak was shown at the same position as the obtained Cu-BTC, and the presence of Cu-BTC was confirmed. From the results of scanning electron microscope observation, elemental analysis, and X-ray diffraction measurement, Cu-BTC exists in a layered range of about 40 μm in the depth direction from the outer surface of the α-alumina tubular porous substrate. Was revealed.

図6に示す多孔質複合膜の透過型電子顕微鏡観察を行った結果から、多孔質基材の細孔図6(a)とその拡大図である図6(b)において、多孔質基材の細孔中に結晶径が約5nmのCu−BTCの粒子が観察された。これらのことから、本実施例で得られた複合多孔質体は、細孔径が約100nmであるα−アルミナの多孔質基材の細孔中において、結晶径が約5nmであるCuBTCの微小な結晶を形成した構造であることが分かった。   From the result of the transmission electron microscope observation of the porous composite membrane shown in FIG. 6, the pores of the porous substrate are shown in FIG. 6 (a) and the enlarged view of FIG. 6 (b). Cu-BTC particles having a crystal diameter of about 5 nm were observed in the pores. From these facts, the composite porous body obtained in this example has a very small CuBTC crystal diameter of about 5 nm in the pores of the porous substrate of α-alumina having a pore diameter of about 100 nm. It was found that the structure formed crystals.

本実施例において得られた複合多孔質体の気体透過性測定を行った結果を図8に示す。測定はタイムラグ法を用いて、差圧1気圧、25℃において行った。測定気体は、ヘリウム(He)、水素(H)、二酸化炭素(CO2)、酸素(O2)、窒素(N2)、メタン(CH4)であり、この順に分子の大きさ(Kinetic Diameter)が大きくなる。この結果、水素の選択性は、CO2、O2、N2、CH4のそれぞれの気体に対して3.7、16.2、123、153であった。これは、分子の大きさが大きいほど水素との透過度の差が大きくなり、水素の選択性が上昇することから、極めて高い分子ふるい性の透過挙動を得ることに成功した。同一のMOFであるCu−BTCを用いた気体透過膜としては、例えば非特許文献2においては、CO2、N2、CH4のそれぞれの気体に対して水素の選択性は5.1、3.7、2.9の値が報告されており、分子ふるい性の透過挙動は得られていない。これゆえ、本発明の一実施例であるCu−BTCの複合多孔質体においては、同一のMOFを用いて複合多孔質体を作製した場合を比較すると、従来の報告例と比較して極めて高い分子ふるい性の気体の透過挙動を得ることに成功した。 FIG. 8 shows the result of measuring the gas permeability of the composite porous body obtained in this example. The measurement was performed at a differential pressure of 1 atm and 25 ° C. using a time lag method. The measurement gas is helium (He), hydrogen (H 2 ), carbon dioxide (CO 2 ), oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), and methane (CH 4 ). Diameter) increases. As a result, the selectivity of hydrogen was 3.7, 16.2, 123, and 153 for each gas of CO 2 , O 2 , N 2 , and CH 4 . This is because the larger the size of the molecule, the greater the difference in permeability with hydrogen and the higher the selectivity of hydrogen, so we succeeded in obtaining extremely high molecular sieve permeation behavior. As a gas permeable membrane using Cu-BTC that is the same MOF, for example, in Non-Patent Document 2, the selectivity of hydrogen with respect to each gas of CO 2 , N 2 , and CH 4 is 5.1, 3 A value of .7, 2.9 has been reported and no molecular sieve permeation behavior has been obtained. Therefore, in the composite porous body of Cu-BTC which is an example of the present invention, the case where the composite porous body is manufactured using the same MOF is extremely high as compared with the conventional report example. We succeeded in obtaining the permeation behavior of molecular sieve gas.

本発明の複合多孔質体は、極めて高い分子ふるい性等の分離性能を有する。しかも、分離対象に応じて適切なMOFを選択することにより、分離対象に合致した各種の分離性能を得ることもできる。そのため、海水淡水化・廃水処理・アルコールや各種の化学製品の濃縮等の液体分離用途や、水素製造・酸素富化・二酸化炭素分離等の気体分離用途等の省エネルギーな膜分離プロセスへの応用等、幅広い応用が可能である。   The composite porous body of the present invention has separation performance such as extremely high molecular sieving properties. In addition, by selecting an appropriate MOF according to the separation object, various separation performances that match the separation object can be obtained. Therefore, application to energy-saving membrane separation processes such as seawater desalination, wastewater treatment, liquid separation applications such as alcohol and various chemical products, and gas separation applications such as hydrogen production, oxygen enrichment, and carbon dioxide separation. A wide range of applications are possible.

01 複合多孔質体
02 多孔質基材
03 金属有機構造体(MOF)の微結晶層
04 金属有機構造体(MOF)の結晶層
21 X線回折測定における回折ピークの半値全幅
31 金属有機構造体(MOF)の原料の溶液A
32 金属有機構造体(MOF)の原料の溶液B
01 Composite porous body 02 Porous substrate 03 Microcrystalline layer of metal organic structure (MOF) 04 Crystal layer of metal organic structure (MOF) 21 Full width at half maximum of diffraction peak in X-ray diffraction measurement 31 Metal organic structure ( MOF) raw material solution A
32 Solution B of metal organic structure (MOF) raw material

Claims (2)

一面と別の面との間を連通する多数の細孔を有する多孔質基材の該細孔内部に金属有機構造体(MOF)を形成した複合多孔質体の製造法であって、該細孔内部に金属有機構造体(MOF)が形成される条件で、金属塩の溶液を該一面側から、有機配位子の溶液を前記別の面側からそれぞれ供給することを特徴とする、複合多孔質体の製造法。   A method for producing a composite porous body in which a metal organic structure (MOF) is formed inside a pore of a porous substrate having a large number of pores communicating between one surface and another surface. A composite characterized in that a metal salt solution is supplied from the one surface side and an organic ligand solution is supplied from the other surface side under the condition that a metal organic structure (MOF) is formed inside the pores. A method for producing a porous body. 前記多孔質基材の一面と別の面の一方に、予め、2〜5nmの微細孔を有する被覆層を形成することを特徴とする請求項に記載の複合多孔質体の製造法。 The method for producing a composite porous body according to claim 2 , wherein a coating layer having fine pores of 2 to 5 nm is formed in advance on one side of the porous substrate and the other side.
JP2012181214A 2012-08-17 2012-08-17 Composite porous body and method for producing the same Expired - Fee Related JP6202295B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012181214A JP6202295B2 (en) 2012-08-17 2012-08-17 Composite porous body and method for producing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012181214A JP6202295B2 (en) 2012-08-17 2012-08-17 Composite porous body and method for producing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014036935A JP2014036935A (en) 2014-02-27
JP6202295B2 true JP6202295B2 (en) 2017-09-27

Family

ID=50285473

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012181214A Expired - Fee Related JP6202295B2 (en) 2012-08-17 2012-08-17 Composite porous body and method for producing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6202295B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109608201A (en) * 2019-01-28 2019-04-12 江西嘉捷信达新材料科技有限公司 Silicon carbide/boron nitride fiber and its preparation method and application
CN109761610A (en) * 2019-01-28 2019-05-17 江西嘉捷信达新材料科技有限公司 Silicon carbide fibre and its preparation method and application

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6566463B2 (en) * 2014-09-03 2019-08-28 日本製紙株式会社 Composite of metal-organic structure and cellulose nanofiber
CN104437116B (en) * 2014-12-08 2017-06-23 大连理工大学 The method that a kind of macropore carrier surface swabbing process is implanted into homologous metal oxide particle induction synthesis MOFs films
JP6382756B2 (en) * 2015-03-17 2018-08-29 京セラ株式会社 Hydrogen separation membrane, hydrogen separation module, hydrogen separation device and hydrogen production device
JP2017202449A (en) * 2016-05-11 2017-11-16 国立大学法人岐阜大学 Method for separating solvent mixed liquor, and metal organic structure separation membrane used therefor
JP7020833B2 (en) * 2017-09-21 2022-02-16 積水化学工業株式会社 Molded body and its manufacturing method
KR102148513B1 (en) * 2017-09-28 2020-08-26 주식회사 엘지화학 A carbon -surfur complex, manufacturing method thereof and lithium secondary battery comprising the same
GB201721314D0 (en) * 2017-12-19 2018-01-31 Vn Jr-Ip Ltd Improved sensor
JP2019118860A (en) * 2017-12-28 2019-07-22 旭化成株式会社 Noble gas separation membrane and noble gas purifier using the same
KR102062865B1 (en) 2018-11-15 2020-01-06 연세대학교 산학협력단 A gas separator and a method for manufacturing the same
JP7292188B2 (en) * 2019-11-22 2023-06-16 株式会社ニッカトー Aluminous substrate tube with excellent film-forming properties and filtration separation properties
CN113117751B (en) * 2019-12-31 2023-05-05 中国石油化工股份有限公司 Metal-organic framework composite material and preparation method thereof
CN112675720B (en) * 2020-12-10 2023-03-24 石河子大学 Preparation method and application of mixed matrix membrane filled with bimetallic strip material
CN117615838A (en) * 2021-04-23 2024-02-27 W.L.戈尔及同仁股份有限公司 Metal-organic framework polytetrafluoroethylene composite structure and manufacturing method thereof
US12220668B2 (en) * 2021-04-25 2025-02-11 Nanjing Hanssen Material Technology Co., Ltd. High-flux silicon carbide ceramic filter membrane and preparation method thereof
CN115746323B (en) * 2022-11-24 2023-08-01 四川顺应动力电池材料有限公司 Preparation method and electrocatalytic application of a Fe-based metal-organic framework material
CN115947950B (en) * 2022-12-07 2024-02-27 电子科技大学长三角研究院(湖州) Micron-level single crystal ZIFs and preparation method
CN116102739B (en) * 2023-02-02 2024-05-14 华东理工大学 A copper-based multifunctional additive for nylon and its preparation method and application
WO2025177630A1 (en) * 2024-02-22 2025-08-28 日本碍子株式会社 Separation membrane composite, and method for producing separation membrane composite
CN119701672B (en) * 2024-12-09 2025-11-25 南京工业大学 A MOF membrane with a porous MOF structure and its preparation method

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09290151A (en) * 1996-04-26 1997-11-11 Osaka Gas Co Ltd Chemical substance adsorbing material and its preparation
JP2001137703A (en) * 1999-11-12 2001-05-22 Toyota Motor Corp Gas adsorption material and method for producing the same
JP3624819B2 (en) * 2000-10-19 2005-03-02 トヨタ自動車株式会社 Fluorine-containing hydrogen storage material
JP4341915B2 (en) * 2004-05-07 2009-10-14 株式会社ノリタケカンパニーリミテド Hydrogen separation material and method for producing the same
JP4617113B2 (en) * 2004-08-04 2011-01-19 有限会社浜インターナショナル Mobile device
JP2010227757A (en) * 2009-03-26 2010-10-14 Toray Ind Inc Composite separation membrane
JP5228009B2 (en) * 2010-08-30 2013-07-03 本田技研工業株式会社 Method of using methane gas adsorbent and organometallic complex

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109608201A (en) * 2019-01-28 2019-04-12 江西嘉捷信达新材料科技有限公司 Silicon carbide/boron nitride fiber and its preparation method and application
CN109761610A (en) * 2019-01-28 2019-05-17 江西嘉捷信达新材料科技有限公司 Silicon carbide fibre and its preparation method and application
CN109761610B (en) * 2019-01-28 2021-12-24 江西嘉捷信达新材料科技有限公司 Silicon carbide fiber and preparation method and application thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014036935A (en) 2014-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6202295B2 (en) Composite porous body and method for producing the same
EP3445485B1 (en) Self-supporting mof membranes
Song et al. TiO2 nanofiltration membranes prepared by molecular layer deposition for water purification
Yuan et al. Covalent organic framework-modulated interfacial polymerization for ultrathin desalination membranes
Zhao et al. In-situ growth of polyvinylpyrrolidone modified Zr-MOFs thin-film nanocomposite (TFN) for efficient dyes removal
JP6750017B2 (en) Permselective graphene oxide film
Xiao et al. Design and synthesis of Al-MOF/PPSU mixed matrix membrane with pollution resistance
Gao et al. Highly permeable and antifouling reverse osmosis membranes with acidified graphitic carbon nitride nanosheets as nanofillers
Yao et al. Zeolitic imidazolate framework composite membranes and thin films: synthesis and applications
Wang et al. The influence of dispersed phases on polyamide/ZIF-8 nanofiltration membranes for dye removal from water
Emadzadeh et al. Synthesis, modification and optimization of titanate nanotubes-polyamide thin film nanocomposite (TFN) membrane for forward osmosis (FO) application
Isaeva et al. In situ synthesis of novel ZIF-8 membranes on polymeric and inorganic supports
Cheng et al. Two‐dimensional membranes: new paradigms for high‐performance separation membranes
Xu et al. Novel thin-film composite membranes via manipulating the synergistic interaction of dopamine and m-phenylenediamine for highly efficient forward osmosis desalination
Barankova et al. Zeolite-imidazolate framework (ZIF-8) membrane synthesis on a mixed-matrix substrate
Tang et al. Tubular ceramic-based multilayer separation membranes using spray layer-by-layer assembly
He et al. Ultrathin two-dimensional membranes by assembling graphene and MXene nanosheets for high-performance precise separation
CN114585432A (en) Polycrystalline metal-organic framework membranes for separation of mixtures
WO2018044298A1 (en) Multilayer thin film nanocomposite membranes prepared by molecular layer-by-layer assembly
Cui et al. Interfacial polymerization of MOF “monomers” to fabricate flexible and thin membranes for molecular separation with ultrafast water transport
Ali et al. Covalent organic framework-based lamellar membranes for water desalination applications
US20130081991A1 (en) Carbon film composite, method for producing same, and separation membrane module
Yang et al. Graphene oxide/nanometal composite membranes for nanofiltration: synthesis, mass transport mechanism, and applications
CN116888134A (en) Polycrystalline iron-containing metal-organic framework membranes for nanofiltration of organic solvents
Wang et al. In situ growth of covalent triazine frameworks membrane on alumina substrate for dye/salt separation

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150325

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160113

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160308

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160426

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20161004

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161130

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20170516

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170712

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20170720

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170815

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170816

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6202295

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees