JP2005232034A - Polymer metal complex, use as gas adsorbent, gas separation apparatus and gas storage apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高分子金属錯体、この高分子金属錯体のガス吸着材としての利用、並びに、このガス吸着材を用いたガス分離装置及びガス貯蔵装置に関する。 The present invention relates to a polymer metal complex, use of the polymer metal complex as a gas adsorbent, and a gas separation device and a gas storage device using the gas adsorbent.
ガス吸着材は、加圧貯蔵や液化貯蔵に比べて、低圧で大量のガスを貯蔵し得る特性を有する。このため、近年、ガス吸着材を用いたガス貯蔵装置やガス分離装置の開発が盛んである。ガス吸着材としては、活性炭やゼオライト等が知られている。また、最近は、多孔性の高分子金属錯体にガスを吸蔵させる方法も提案されている(特許文献1、非特許文献1参照)。 The gas adsorbent has characteristics that can store a large amount of gas at a low pressure as compared with pressurized storage and liquefied storage. For this reason, in recent years, development of a gas storage device and a gas separation device using a gas adsorbent has been active. As the gas adsorbent, activated carbon, zeolite and the like are known. Recently, a method of occluding gas in a porous polymer metal complex has also been proposed (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
しかしながら、これらの従来提案されてきたガス吸着材は、ガス吸着量や作業性等の点で充分に満足できるものとは言えず、より優れた特性を有するガス吸着材の開発が所望されている。特に、ガスの吸着量の増大は、重要な課題とされている。 However, these conventionally proposed gas adsorbents cannot be said to be sufficiently satisfactory in terms of gas adsorption amount, workability, etc., and development of gas adsorbents with better properties is desired. . In particular, an increase in the amount of gas adsorption is an important issue.
一方、外部刺激による動的構造変化を生じる高分子金属錯体が報告されている(非特許文献2、非特許文献3参照)。この新規な動的構造変化金属錯体の中でも、高分子構造を有する高分子金属錯体で、かつ内部に空孔を有する錯体をガス吸着材として使用した場合、ある一定の圧力まではガスを吸着しないが、ある一定圧を越えるとガス吸着が始まると言う特異な現象が観測されている。また、ガス放出に関しては、一定圧まではガスを放出しないが、一定圧以下になるとガスを急激に放出する現象も同時に観察されており、ガス吸蔵材としての利用が高まっている(非特許文献4、非特許文献5参照)。これらの動的構造変化を有する高分子金属錯体は、分子内に水素結合やπ−π相互作用等の弱い相互作用を有する部位が含まれており、それらが構造変化を起こす原因であると考えられているが、詳細はわかっていない。
本発明は、新規な高分子金属錯体を提供すること、及びこれを用いた優れた特性を有するガス吸着材を提供することを目的とする。また、本発明は、前記特性を有するガス吸着材を内部に収容してなるガス貯蔵装置及びガス分離装置、並びに前記ガス貯蔵装置を搭載してなる車両を併せて提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a novel polymer metal complex and to provide a gas adsorbent having excellent characteristics using the same. It is another object of the present invention to provide a gas storage device and a gas separation device each containing a gas adsorbent having the above characteristics, and a vehicle equipped with the gas storage device.
本発明者らは、前述のような問題点を解決すべく、鋭意研究を積み重ねた結果、ニッケルイオンを含有する高分子金属錯体が、特定の条件においてガス吸蔵能を有し、さらに外部刺激によって急激なガスの吸収や放出を行う能力を有することを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that a polymer metal complex containing nickel ions has a gas storage capacity under specific conditions, and further, by external stimulation. It has been found that it has the ability to absorb and release gas rapidly, and has completed the present invention.
すなわち、本発明は、ニッケルイオンおよび有機配位子からなるニッケル系高分子金属錯体に関する。また本発明は、前記高分子金属錯体のガス吸蔵材料としての利用、前記ガス吸着材を内部に収容してなるガス貯蔵装置及びガス分離装置、並びに前記ガス貯蔵装置を搭載してなる車両に関する。 That is, the present invention relates to a nickel-based polymer metal complex composed of nickel ions and an organic ligand. The present invention also relates to the use of the polymer metal complex as a gas storage material, a gas storage device and gas separation device in which the gas adsorbent is housed, and a vehicle on which the gas storage device is mounted.
具体的には、本発明は、
(1) 下記式(1)の単位構造を有する高分子金属錯体、
Specifically, the present invention provides:
(1) a polymer metal complex having a unit structure of the following formula (1),
(ただし、式中、Yは対イオン、Lは有機配位子を示す。)
(2) 前記対イオンYがBF4 −イオンである、(1)に記載の高分子金属錯体、
(3) 前記有機配位子Lが1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼンである、(1)または(2)記載の高分子金属錯体、
(4) 少なくとも1種のガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す、(1)〜(3)のいずれか1項に記載の高分子金属錯体、
(5) 前記ガスが、水素、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素、および窒素からなる群より選択される少なくとも1種類のガスである、(4)に記載の高分子金属錯体、
(6) 前記ガスが、硫化水素、硫黄酸化物、窒素酸化物、およびアンモニアからなる群より選択される少なくとも1種のガスである、(4)に記載の高分子金属錯体、
(7) (1)〜(6)のいずれか1項に記載の高分子金属錯体を含むガス吸着材、
(8) (7)に記載のガス吸着材を用いてなる圧力スイング吸着方式ガス分離装置、
(9) (7)に記載のガス吸着材を内部に収容してなるガス貯蔵装置、
(10) (9)に記載のガス貯蔵装置を搭載してなる車両、
である。
(In the formula, Y represents a counter ion and L represents an organic ligand.)
(2) the counter-ion Y is BF 4 - is an ion, polymer metal complex according to (1),
(3) The polymer metal complex according to (1) or (2), wherein the organic ligand L is 1,4-bis (4-pyridyl) benzene.
(4) The polymer metal complex according to any one of (1) to (3), wherein an adsorption / desorption isotherm regarding at least one gas shows a hysteresis loop,
(5) The polymer metal complex according to (4), wherein the gas is at least one gas selected from the group consisting of hydrogen, hydrocarbon, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen, and nitrogen,
(6) The polymer metal complex according to (4), wherein the gas is at least one gas selected from the group consisting of hydrogen sulfide, sulfur oxide, nitrogen oxide, and ammonia,
(7) A gas adsorbent comprising the polymer metal complex according to any one of (1) to (6),
(8) A pressure swing adsorption type gas separation device using the gas adsorbent according to (7),
(9) A gas storage device containing the gas adsorbent according to (7) inside,
(10) A vehicle equipped with the gas storage device according to (9),
It is.
本発明の高分子金属錯体は、多量のガスを吸蔵することが可能である。また、本発明の高分子金属錯体からなるガス吸蔵材料を内部に収容してなるガス貯蔵装置及びガス分離装置、並びに前記ガス貯蔵装置を搭載してなる車両を製造することが可能になる。 The polymer metal complex of the present invention can occlude a large amount of gas. In addition, it is possible to manufacture a gas storage device and gas separation device in which the gas storage material made of the polymer metal complex of the present invention is housed, and a vehicle on which the gas storage device is mounted.
本発明の高分子金属錯体は、ガスの吸脱着に関する特殊な性質を活用して各種用途に適用することができる。例えば、圧力スイング吸着方式(以下「PSA方式」と略記)のガス分離装置における吸着材に適用した場合にあっては、本発明のガス吸着材の特性を活かして、非常に効率良いガス分離が可能である。また、圧力変化に要する時間を短縮でき、省エネルギーにも寄与する。さらに、ガス分離装置の小型化にも寄与し得るため、高純度ガスを製品として販売する際のコスト競争力を高めることができることは勿論、自社工場内部で高純度ガスを用いる場合であっても、高純度ガスを必要とする設備に要するコストを削減できるため、結局最終製品の製造コストを削減する効果を有する。 The polymer metal complex of the present invention can be applied to various uses by utilizing the special properties relating to gas adsorption and desorption. For example, when applied to an adsorbent in a pressure swing adsorption method (hereinafter abbreviated as “PSA method”) gas separation device, the gas adsorption material of the present invention can be used to achieve very efficient gas separation. Is possible. In addition, the time required for pressure change can be shortened, contributing to energy saving. Furthermore, since it can contribute to miniaturization of the gas separation device, it is possible to increase cost competitiveness when selling high-purity gas as a product, of course, even when high-purity gas is used inside its own factory Since the cost required for the equipment that requires high purity gas can be reduced, the manufacturing cost of the final product can be reduced.
本発明の高分子金属錯体の他の用途としては、ガス貯蔵装置が挙げられる。本発明のガス吸着材をガス貯蔵装置(業務用ガスタンク、民生用ガスタンク、車両用燃料タンク等)に適用した場合には、搬送中や保存中の圧力を劇的に低減させることが可能である。搬送時や保存中のガス圧力を減少させ得ることに起因する効果としては、まず、形状自由度の向上が挙げられる。従来のガス貯蔵装置においては、保存中の圧力を維持しなくては、ガス吸着量を高く維持できない。しかしながら、本発明のガス貯蔵装置においては、圧力を低下させても、充分なガス吸着量を維持できる。このため、容器の耐圧性を低くすることができ、ガス貯蔵装置の形状をある程度自由に設計することができる。この効果は、例えば、自動車等の車両用燃料ガスタンクとして、本発明のガス貯蔵装置を用いた場合には絶大である。燃料タンクとして本発明のガス貯蔵装置を用いた場合には、上述のように耐圧性に関する制約が緩くなるため、形状をある程度自由に設計できる。具体的には、車両における車輪やシート等の形状にフィットするようにガス貯蔵装置の形状を調節することが可能となる。その結果、車両の小型化、荷物スペースの確保、車両の軽量化による燃費向上等の各種実利が得られる。 Another application of the polymer metal complex of the present invention is a gas storage device. When the gas adsorbent of the present invention is applied to a gas storage device (business gas tank, consumer gas tank, vehicle fuel tank, etc.), it is possible to dramatically reduce the pressure during transportation and storage. . As an effect resulting from the ability to reduce the gas pressure during transportation or storage, first, an improvement in the degree of freedom in shape can be mentioned. In a conventional gas storage device, the gas adsorption amount cannot be maintained high unless the pressure during storage is maintained. However, in the gas storage device of the present invention, a sufficient amount of gas adsorption can be maintained even if the pressure is reduced. For this reason, the pressure resistance of a container can be made low and the shape of a gas storage apparatus can be designed freely to some extent. This effect is enormous, for example, when the gas storage device of the present invention is used as a fuel gas tank for a vehicle such as an automobile. When the gas storage device of the present invention is used as a fuel tank, restrictions on pressure resistance are relaxed as described above, and the shape can be designed freely to some extent. Specifically, the shape of the gas storage device can be adjusted to fit the shape of wheels, seats, and the like in the vehicle. As a result, various benefits such as miniaturization of the vehicle, securing of luggage space, and improvement of fuel consumption due to weight reduction of the vehicle can be obtained.
なお、ガス分離装置やガス貯蔵装置に適用する場合における、容器形状や容器材質、ガスバルブの種類等に関しては、特別の装置を用いなくてもよく、ガス分離装置やガス貯蔵装置に用いられているものを用いることが可能である。ただし、各種装置の改良を排除するものではなく、いかなる装置を用いたとしても、本発明のガス高分子金属錯体を用いている限りにおいて、本発明の技術的範囲に包含されるものである。 In addition, when applied to a gas separation device or a gas storage device, the container shape, the material of the container, the type of the gas valve, etc. do not have to be used, and are used in the gas separation device and the gas storage device. Can be used. However, improvement of various apparatuses is not excluded, and any apparatus is included in the technical scope of the present invention as long as the gas polymer metal complex of the present invention is used.
続いて、本発明について詳細に説明する。 Next, the present invention will be described in detail.
本発明のニッケル系高分子金属錯体は、下記式(1)で表される単位構造を有する化合物である。 The nickel-based polymer metal complex of the present invention is a compound having a unit structure represented by the following formula (1).
(ただし、式中、Yは対イオン、Lは有機配位子を示す。)
式(1)で表される化合物を合成するための原料を例示する。
(In the formula, Y represents a counter ion and L represents an organic ligand.)
The raw material for synthesize | combining the compound represented by Formula (1) is illustrated.
原料の1つは、ニッケル(II)塩であり、ニッケル(II)塩に含まれる対イオンとしては、1価の陰イオンが例示でき、例えば、BF4 −、CF3CO2 −、NO3 −、等のイオンが挙げられる。錯体の作り易さと言う観点からは、BF4 −が好ましい。2価の対イオンは、ニッケルイオンとの相互作用強くなる傾向がある。また、1価のイオンの中でも、Cl−、Br−、CH3CO2 −等は、同様に相互作用が強くなる傾向があるため、対イオンとして用いる場合には、注意する必要がある。ただし、相互作用の問題が生じない場合や、相互作用がさほど問題とならない場合などには、これらのイオンが用いられてもよい。 One of the raw materials is a nickel (II) salt, and examples of the counter ion contained in the nickel (II) salt include monovalent anions. For example, BF 4 − , CF 3 CO 2 − , NO 3 -Ions such as, and the like. From the viewpoint of ease of making the complex, BF 4 − is preferable. The divalent counter ion tends to have a strong interaction with the nickel ion. In addition, among monovalent ions, Cl − , Br − , CH 3 CO 2 — and the like tend to have strong interactions in the same way, so care must be taken when using them as counter ions. However, these ions may be used when the problem of interaction does not occur or when the interaction does not matter so much.
式(1)中のLは、有機配位子である。有機配位子としては、分子内の比較的離れた位置に2個の配位部位を有する配位子、すなわちA−B−A(A=4−ピリジル基又は3−ピリジル基及びそれらに官能基が置換したもの)型の配位子が挙げられる。ここで、Bとしては、1,4−フェニレン及び置換1,4−フェニレン、1,3−フェニレン及び置換1,3−フェニレン、2,5−チオフェニル及びその置換体、2、7−フルオレニル及びその置換体、1,4−ジエチニルベンゼン基、4,4’−ビフェニレン等が挙げられる。A−B−A型の有機配位子としては、比較的安価に入手可能な点で、1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼン、1,4−ビス(4−ピリジル)チオフェン、1,2−ビス(4−ピリジル)アセチレン、4,4’−ビス(4−ピリジル)ビフェニルが好ましく、特に、1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼンが好ましい。 L in Formula (1) is an organic ligand. Examples of the organic ligand include a ligand having two coordination sites at relatively distant positions in the molecule, that is, ABA (A = 4-pyridyl group or 3-pyridyl group and functional groups thereof. Group-substituted ligand). Here, as B, 1,4-phenylene and substituted 1,4-phenylene, 1,3-phenylene and substituted 1,3-phenylene, 2,5-thiophenyl and its substituted products, 2,7-fluorenyl and its Substituted products, 1,4-diethynylbenzene group, 4,4′-biphenylene and the like can be mentioned. As an A-B-A type organic ligand, 1,4-bis (4-pyridyl) benzene, 1,4-bis (4-pyridyl) thiophene, 1, 2-bis (4-pyridyl) acetylene and 4,4′-bis (4-pyridyl) biphenyl are preferred, and 1,4-bis (4-pyridyl) benzene is particularly preferred.
多孔体である本発明の高分子金属錯体は、水、アルコール、エーテル等の有機分子に触れると、孔内に水や有機溶媒を含有し、あるいは、場合によっては金属イオンと配位子の間に水や有機溶媒の挿入を受け、例えば、式(2)で示されるような複合錯体に変化する場合がある。 The polymer metal complex of the present invention, which is a porous body, contains water or an organic solvent in the pores when it comes into contact with organic molecules such as water, alcohol and ether, or, in some cases, between a metal ion and a ligand. In some cases, water or an organic solvent is inserted into the complex complex, for example, a complex complex represented by the formula (2).
(ただし、式中、Yは対イオン、Lは有機配位子を示す。Zは、水、アルコール、エーテル等の有機分子を示し、mは0.5以上である。)
しかし、これらの複合錯体中の水やアルコール、エーテル等の有機分子は、高分子金属錯体に弱く結合しているだけであり、ガス吸着材として利用する際の減圧乾燥等の前処理によって除かれ、元の式(1)で表される錯体に戻る。そのため、式(2)で表されるような錯体であっても、本質的には本発明の高分子金属錯体と同一物と見なすことができる。
(Wherein, Y represents a counter ion, L represents an organic ligand, Z represents an organic molecule such as water, alcohol, or ether, and m is 0.5 or more.)
However, organic molecules such as water, alcohol, and ether in these complex complexes are only weakly bonded to the polymer metal complex and are removed by pretreatment such as vacuum drying when used as a gas adsorbent. Returning to the complex represented by the original formula (1). Therefore, even a complex represented by the formula (2) can be regarded as essentially the same as the polymer metal complex of the present invention.
本発明の高分子金属錯体は、式(1)で表される単位構造が繰り返された構造を有する高分子体である。式(1)および式(2)においてnは、一般的な高分子化合物の表記の場合と同様、式(1)または式(2)の単位構造が繰り返されることを示しているに過ぎず、nの範囲については特に限定されない。高分子化合物の分子量についても、特に限定されない。例えば、1000以上の数平均分子量を有する。 The polymer metal complex of the present invention is a polymer having a structure in which the unit structure represented by the formula (1) is repeated. In the formula (1) and the formula (2), n merely indicates that the unit structure of the formula (1) or the formula (2) is repeated as in the case of the general polymer compound notation, The range of n is not particularly limited. The molecular weight of the polymer compound is not particularly limited. For example, it has a number average molecular weight of 1000 or more.
本発明のガス吸着材は、好ましくは、少なくとも1種のガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す。即ち、図1に示すように、吸着時のガス圧力−ガス吸着量カーブと、脱着時のガス圧力−ガス吸着量カーブとが異なる材料である。 In the gas adsorbent of the present invention, the adsorption / desorption isotherm relating to at least one gas preferably exhibits a hysteresis loop. That is, as shown in FIG. 1, the gas pressure-gas adsorption amount curve at the time of adsorption is different from the gas pressure-gas adsorption amount curve at the time of desorption.
本発明のガス圧力−ガス吸着量カーブがヒステリシスループを示すガス吸着材の特異性を、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明のガス吸着材におけるガス圧力−ガス吸着量の関係を示すグラフである。図2は、従来の吸着材におけるガス圧力−ガス吸着量の関係を示すグラフである。図中、横軸はガス圧力を示し、縦軸は吸着材の単位質量当たりのガス吸着量を示す。 The peculiarity of the gas adsorbent in which the gas pressure-gas adsorption amount curve of the present invention exhibits a hysteresis loop will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a graph showing the relationship between gas pressure and gas adsorption amount in the gas adsorbent of the present invention. FIG. 2 is a graph showing the relationship between gas pressure and gas adsorption amount in a conventional adsorbent. In the figure, the horizontal axis indicates the gas pressure, and the vertical axis indicates the gas adsorption amount per unit mass of the adsorbent.
従来のガス吸着材においては、ガス圧力の増加に従ってガス吸着量も増加し、吸着の際の圧力−吸着量カーブと、脱着の際の圧力−吸着量カーブとは一致する(図2)。例えば、従来のガス吸着材に吸着させる吸着量をA1にする場合には、ガス圧力をP1にまで加圧する必要があり、吸着量をA1に保持するためには圧力をP1に保持する必要がある。これに対し、本発明のガス吸着材においては、ガス吸着の際の圧力−吸着量カーブがヒステリシスループを示す(図1)。 In the conventional gas adsorbent, the gas adsorption amount increases as the gas pressure increases, and the pressure-adsorption amount curve during adsorption coincides with the pressure-adsorption amount curve during desorption (FIG. 2). For example, the amount of adsorption adsorbed to conventional gas adsorbent when the A 1, it is necessary to pressurize the gas pressure to the P 1, the pressure to hold the adsorption amount to the A 1 to P 1 Need to hold. In contrast, in the gas adsorbent of the present invention, the pressure-adsorption amount curve during gas adsorption shows a hysteresis loop (FIG. 1).
かようなヒステリシスループが発現する機構については、未だ完全な理解はなされていない。考えられるメカニズムとしては、金属イオンと配位子からなる2Dスクエアグリッドの格子層が積層し、これらの層が相対的にずれることが重要な働きを有していると考えられる(Zawarotoko,M.J.,Crystal Engineering,2(1999),37)。図3のように、層がずれて積層している場合には、化合物内に実質的な空孔がなく、ガスの吸着が生じない。一方、図4のように、層が積層している場合には、空孔が生じ、ガスの吸着が生じる。即ち、急激なガス吸着のメカニズムは、以下のように推定できる。ガスがないかもしくは低圧の場合には、図3のように積層しており、ガス圧が高まることにより、図4の積層構造に相転移が生じ、ガスが急激に空孔内に吸着され、細孔内で安定化される。一方、急激なガス放出のメカニズムは、ガス圧が低下することで不安定になり、前記とは逆の図4から図3への相転移が生じ、ガスが放出されると考えられる。ガス吸着とガス放出では、錯体の細孔構造が変化しているため、ヒステリシスループが生じることになる(近藤精一、石川達雄、阿部郁夫、吸着の化学、丸善株式会社、53〜57頁)。 The mechanism by which such a hysteresis loop appears has not yet been fully understood. As a possible mechanism, it is considered that a lattice layer of a 2D square grid composed of metal ions and a ligand is stacked, and that these layers have an important function (Zawarotoko, M. et al. J., Crystal Engineering, 2 (1999), 37). As shown in FIG. 3, when the layers are shifted and stacked, there is no substantial void in the compound, and no gas adsorption occurs. On the other hand, when the layers are stacked as shown in FIG. 4, vacancies are generated and gas adsorption occurs. That is, the mechanism of rapid gas adsorption can be estimated as follows. When there is no gas or at a low pressure, the layers are laminated as shown in FIG. 3, and when the gas pressure is increased, phase transition occurs in the laminated structure of FIG. 4, and the gas is rapidly adsorbed in the pores. Stabilized within the pores. On the other hand, the mechanism of rapid gas release becomes unstable due to a decrease in gas pressure, and a phase transition from FIG. 4 to FIG. 3 opposite to the above occurs, and gas is considered to be released. In gas adsorption and outgassing, the pore structure of the complex is changed, resulting in a hysteresis loop (Seiichi Kondo, Tatsuo Ishikawa, Ikuo Abe, Adsorption Chemistry, Maruzen Co., Ltd., pages 53-57) .
この推定によれば、層の間の相互作用が、ずれの起こり易さに大きな影響を及ぼす。実際、いわゆる2Dスクエアグリッドの格子層が積層した高分子金属錯体は多数知られているが、そのほとんどすべてがガスを吸わないか、あるいは、吸っても本発明の化合物のようなガスの急激な吸収や放出を伴うガス吸脱着のヒステリシスループを示すことはない(Kitagawa,S.,Chemistry−A European Journal (2002),8(16),3586〜3600、Zaworotko,M.J.,Chem.Commun.,(1999)1327、Roye,H.−C.,Angewandte Chem.Int.Ed.(2002)583、Kitagawa,S.,J.Am.Chem.Soc.,(2002)2568参照)。このため、本発明のようなガス吸着能発現のためには、層間のずれの制御因子として、金属イオンや対イオンが重要な役割を果たしていると考えられるが、その詳細な機構は不明である。 According to this estimation, the interaction between the layers has a great influence on the likelihood of misalignment. In fact, many polymer metal complexes in which a so-called 2D square grid lattice layer is laminated are known. However, almost all of them do not absorb gas, or even if they are absorbed, a rapid gas such as the compound of the present invention is generated. It does not show a hysteresis loop of gas adsorption / desorption accompanied by absorption and release (Kitagawa, S., Chemistry-A European Journal (2002), 8 (16), 3586-3600, Zawortko, MJ, Chem. Commun. (1999) 1327, Roye, H.-C., Angelwandte Chem. Int. Ed. (2002) 583, Kitagawa, S., J. Am. Chem. Soc., (2002) 2568). For this reason, it is considered that metal ions and counter ions play an important role as a control factor for the displacement between layers for the gas adsorption ability expression as in the present invention, but the detailed mechanism is unknown. .
また、本発明においては、配位子の性質も重要である。本発明において、配位子は分子の両末端でニッケルイオンに配位することで、高分子金属錯体の骨格を形成する働きをする。このような原理に基づいて、多数の高分子金属錯体の合成例が報告されている。ここで、銅イオンを用いた場合には、配位子として非常に多様な分子が用いられ、例えば、ピラジンや4,4’−ビピリジル等、両末端の窒素原子間距離が0.75nm以下と、比較的短い配位子による合成例も、多数報告されている(Munakata,M.,Advances in Inorganic Chemistry,46(1999)173〜303)。 In the present invention, the nature of the ligand is also important. In the present invention, the ligand functions to form a skeleton of the polymer metal complex by coordinating to nickel ions at both ends of the molecule. Based on such principles, a number of synthesis examples of polymer metal complexes have been reported. Here, when copper ions are used, a very diverse molecule is used as a ligand. For example, the distance between nitrogen atoms at both ends, such as pyrazine and 4,4′-bipyridyl, is 0.75 nm or less. Many synthetic examples using relatively short ligands have also been reported (Munakata, M., Advances in Inorganic Chemistry, 46 (1999) 173-303).
しかし、本発明のように、ニッケルイオンを利用して高分子金属錯体を合成し、ガス吸着の機能を発現させるには、両末端の窒素原子間の距離が4,4’−ビピリジルを越える長さを有する配位子、例えば、1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼン等を利用することが好ましい。この詳細な理由はわからないが、配位子長が長くなるにつれ、配位子間の相互作用が強くなるため、それらの強さに応じた金属−配位子の窒素間の相互作用が必要となり、ニッケルと窒素原子の配位には、配位子の分子長さが長く、強い配位子間相互作用を有する配位子が必要になっていると考えられる。本発明のニッケルイオンを含む高分子金属錯体では、分子長さが長い配位子が好適に使用できるという性質は、物質吸着材料として使用する場合には、非常に好ましい性質である。高分子金属錯体の吸着能は、配位子と金属イオンからなる格子の空隙に物質が吸着されるためと考えられている。そのため、配位子の分子長さが長くなると、格子の一辺の長さも長くなり、格子の空隙容積が大きくなり、結果として物質を多量に吸着することができるようになる。ただし、これらは単なる推定である。つまり、本推定に従っていない場合でも、本発明で規定する要件を満足し、所定のガスに関してヒステリシスループを示すのであれば、本発明の技術的範囲に包含される。 However, as in the present invention, in order to synthesize a polymer metal complex using nickel ions and develop a gas adsorption function, the distance between nitrogen atoms at both ends exceeds 4,4′-bipyridyl. It is preferable to use a ligand having a certain length, such as 1,4-bis (4-pyridyl) benzene. I don't know the detailed reason for this, but as the ligand length increases, the interaction between the ligands becomes stronger, so the interaction between the metal and the nitrogen of the ligand corresponding to their strength is required. It is considered that a ligand having a long ligand molecular length and a strong interaction between ligands is necessary for the coordination between nickel and nitrogen atoms. In the polymer metal complex containing nickel ions of the present invention, the property that a ligand having a long molecular length can be suitably used is a very preferable property when used as a material adsorbing material. The adsorption ability of the polymer metal complex is considered to be because the substance is adsorbed in the voids of the lattice composed of the ligand and the metal ion. Therefore, when the molecular length of the ligand is increased, the length of one side of the lattice is also increased, the void volume of the lattice is increased, and as a result, a large amount of substance can be adsorbed. However, these are only estimates. In other words, even if the estimation is not followed, it is included in the technical scope of the present invention as long as the requirements defined in the present invention are satisfied and a hysteresis loop is exhibited with respect to a predetermined gas.
本発明の高分子錯体の製造工程は、式(1)で表される化合物を製造するために、原料のニッケル塩と有機配位子とを溶媒に溶かして、溶液状態で行うことが好ましい。ニッケル塩を溶かす溶媒としては、水やアルコール等のプロトン系溶媒を利用すると良好な結果が得られる。水やアルコール等のプロトン系溶媒は、ニッケル塩をよく溶解し、さらにニッケルイオンや対イオンに配位結合や水素結合することでニッケル塩を安定化し、配位子との急速な反応を抑制することで、副反応を抑制する。アルコールの例としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール等の脂肪族系1価アルコール及びエチレングリコール等の脂肪族系2価アルコール類を例示できる。安価でかつニッケル塩の溶解性が高いと言う点で、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコールが好ましい。また、これらのアルコールは、単独で用いてもよいし、複数を混合使用してもよい。 The production process of the polymer complex of the present invention is preferably carried out in a solution state by dissolving a raw material nickel salt and an organic ligand in a solvent in order to produce the compound represented by the formula (1). As a solvent for dissolving the nickel salt, good results can be obtained by using a proton solvent such as water or alcohol. Protonic solvents such as water and alcohol dissolve nickel salts well, stabilize nickel salts by coordinating and hydrogen bonding to nickel ions and counter ions, and suppress rapid reactions with ligands. This suppresses side reactions. Examples of the alcohol include aliphatic monohydric alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol and 2-butanol, and aliphatic dihydric alcohols such as ethylene glycol. Methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, and ethylene glycol are preferred because they are inexpensive and have high solubility of nickel salts. These alcohols may be used alone or in combination.
溶媒として、水と前記のアルコール類とを混合して使用することも好ましい。混合比率は1:100〜100:1(体積比)で任意である。配位子長が長い、例えば、4,4’−ビス(4−ピリジル)ビフェニル以上の長さの配位子を利用する場合は、アルコール類の混合比率を30%以上にすることが、溶解性を向上させる観点から好ましい。 It is also preferable to use a mixture of water and the alcohol as a solvent. The mixing ratio is arbitrary from 1: 100 to 100: 1 (volume ratio). When a ligand having a long ligand length, for example, a length of 4,4′-bis (4-pyridyl) biphenyl or more, is used, the mixing ratio of alcohols may be 30% or more. From the viewpoint of improving the property.
また、水又はアルコール又は水−アルコールの混合溶媒に、さらにアルコール以外の有機溶媒を混合して使用することも可能である。混合する有機溶媒としては、水と混和する溶媒であり、例えば、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、アセトン、1,4−ジオキサン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等である。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。これらの中では、アセトン、1,4−ジオキサン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及びアセトニトリルがよい結果を与える。有機溶媒の混合比は50モル%以下、好ましくは30モル%以下である。 Moreover, it is also possible to mix and use organic solvents other than alcohol with water, alcohol, or the mixed solvent of water-alcohol. The organic solvent to be mixed is a solvent miscible with water, and examples thereof include acetonitrile, tetrahydrofuran, acetone, 1,4-dioxane, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and the like. These may be used singly or in combination of two or more. Of these, acetone, 1,4-dioxane, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and acetonitrile give good results. The mixing ratio of the organic solvent is 50 mol% or less, preferably 30 mol% or less.
一方、有機配位子を溶かす溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、エチレングリコール等のアルコール系溶媒、エーテル、テトラヒドロフラン等の非環状、環状の脂肪族エーテル、アセトン等のケトン類、酢酸エチル等のエステル類、アセトニトリル等の脂肪族ニトリル類、ジクロロメタン等のハロゲン系溶媒、ベンゼン、トルエン等の芳香族溶媒、ジメチルホルムアミド等のホルムアミド類、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類を広く例示することができる。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。コスト的かつ溶解度的に、メタノール、エタノール、2−プロパノール、アセトニトリル、アセトン等が好ましい。 On the other hand, as a solvent for dissolving the organic ligand, alcohol solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol and ethylene glycol, acyclic and cyclic such as ether and tetrahydrofuran Aliphatic ethers, ketones such as acetone, esters such as ethyl acetate, aliphatic nitriles such as acetonitrile, halogenated solvents such as dichloromethane, aromatic solvents such as benzene and toluene, formamides such as dimethylformamide, dimethyl sulfoxide The sulfoxides such as can be widely exemplified. These may be used singly or in combination of two or more. In terms of cost and solubility, methanol, ethanol, 2-propanol, acetonitrile, acetone and the like are preferable.
ニッケル塩の溶液及び有機配位子の系溶液の混合方法は、ニッケル塩溶液に配位子溶液を添加しても、その逆でもよい。また、混合に際しては必ずしも溶液で行う必要はなく、例えば、ニッケル塩溶液に固体の配位子を投入し、同時に溶媒を入れる方法や、反応容器にニッケル塩を装填した後に、配位子の固体又は溶液を注入し、さらにニッケル塩を溶かすための溶液を注入する等、最終的に反応が実質的に溶媒中で起こる方法であれば、種々の方法が可能である。ただし、ニッケル塩の溶液と配位子の溶液を滴下混合する方法が、工業的には最も操作が簡便であり、好ましい。 The mixing method of the nickel salt solution and the organic ligand system solution may be the addition of the ligand solution to the nickel salt solution or vice versa. In addition, it is not always necessary to carry out mixing in a solution. For example, a method of adding a solid ligand to a nickel salt solution and simultaneously adding a solvent, or after charging a reaction vessel with nickel salt, Alternatively, various methods are possible as long as the reaction finally occurs substantially in a solvent, such as injecting a solution and further injecting a solution for dissolving the nickel salt. However, the method of dropping and mixing the nickel salt solution and the ligand solution is industrially the most convenient and preferable.
溶液の濃度は、ニッケル塩溶液は40mmol/L〜4mol/L、好ましくは80mmol/L〜2mol/Lであり、配位子の有機溶液は40mmol/L〜3mol/L、好ましくは80mmol/L〜1.8mol/Lである。これより低い濃度で反応を行っても、目的物は得られるが、製造効率が低下する虞がある。また、これより高い濃度では、吸着能が低下する虞がある。 The concentration of the solution is 40 mmol / L to 4 mol / L, preferably 80 mmol / L to 2 mol / L for the nickel salt solution, and 40 mmol / L to 3 mol / L, preferably 80 mmol / L to the organic solution of the ligand. 1.8 mol / L. Even if the reaction is carried out at a lower concentration, the target product can be obtained, but the production efficiency may be lowered. Further, at a concentration higher than this, there is a possibility that the adsorption capacity is lowered.
反応温度は−20〜120℃、好ましくは25〜90℃である。これ以下の低温で行うと、原料の溶解度が下がる虞がある。オートクレーブ等を用いて、より高温で反応を行うことも可能であるが、加熱等のエネルギーコストの割には、収率は向上しにくい。 The reaction temperature is -20 to 120 ° C, preferably 25 to 90 ° C. If it is carried out at a temperature lower than this, the solubility of the raw material may be lowered. Although it is possible to carry out the reaction at a higher temperature using an autoclave or the like, the yield is difficult to improve for the energy cost such as heating.
本発明の反応で用いられるニッケル塩と有機配位子の混合比率は、3:1〜1:5のモル比、好ましくは1.5:1〜1:3のモル比の範囲内である。これ以外の範囲では、目的物の収率が低下し、また、未反応の原料が残留して、目的物の取り出しが困難となる。 The mixing ratio of the nickel salt and the organic ligand used in the reaction of the present invention is in the range of 3: 1 to 1: 5, preferably 1.5: 1 to 1: 3. In other ranges, the yield of the target product decreases, and unreacted raw materials remain, making it difficult to take out the target product.
反応は、通常のガラスライニングのSUS製の反応容器及び機械式攪拌機を使用して行うことができる。反応終了後は濾過、乾燥を行うことで目的物質と原料の分離を行い、純度の高い目的物質を製造することが可能である。 The reaction can be carried out using an ordinary glass-lined SUS reaction vessel and a mechanical stirrer. After completion of the reaction, the target substance and raw material can be separated by filtration and drying to produce a target substance with high purity.
本発明のニッケル系高分子金属錯体を用いたガス吸着材は、ガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す材料であるが、少なくとも1種のガスに関してヒステリシスループを発現すればよく、全てのガスに対してヒステリシスループを示さずともよい。 The gas adsorbent using the nickel-based polymer metal complex of the present invention is a material in which the adsorption / desorption isotherm relating to the gas exhibits a hysteresis loop, but it is sufficient that the hysteresis loop is expressed with respect to at least one kind of gas. However, a hysteresis loop may not be shown.
本発明のガス吸着材がヒステリシスループを示す必要があるガスは、本発明のガス吸着材の適用用途によって異なる。例えば、本発明のガス吸着材をメタンガス貯蔵装置に用いる場合には、メタンガスに対してヒステリシスループを示す必要がある。本発明のガス吸着材を、水素と酸素との混合ガスから水素ガスを分離するガス分離装置に用いる場合には、各ガスに対してヒステリシスループを示すことが好ましい。一般的に言えば、本発明のガス吸着材を各種用途に利用されるガスの貯蔵又は分離に用いるのであれば、本発明のガス吸着材がヒステリシスループを示すガスは、水素、炭化水素(メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン等)、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素、窒素等であることが好ましい。LNG等のように複数の炭化水素ガスの混合物を貯蔵できるように、これらの2種以上のガスに対してヒステリシスループを示しても、勿論よい。また、本発明のガス吸着材をガスの除去に用いるのであれば、本発明のガス吸着材がヒステリシスループを示すガスは、硫化水素、硫黄酸化物(SOx)、窒素酸化物(NOx)、アンモニア等であることが好ましい。これらの2種以上のガスに対してヒステリシスループを示しても、勿論よい。上記例示した以外のガスに対してヒステリシスループを示してもよい。 The gas that the gas adsorbent of the present invention needs to exhibit a hysteresis loop varies depending on the application of the gas adsorbent of the present invention. For example, when the gas adsorbent of the present invention is used in a methane gas storage device, it is necessary to show a hysteresis loop for methane gas. When the gas adsorbent of the present invention is used in a gas separation device that separates hydrogen gas from a mixed gas of hydrogen and oxygen, it is preferable to show a hysteresis loop for each gas. Generally speaking, if the gas adsorbent of the present invention is used for storage or separation of a gas used for various applications, the gas in which the gas adsorbent of the present invention exhibits a hysteresis loop is hydrogen, hydrocarbon (methane Ethane, propane, butane, isobutane, etc.), carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen, nitrogen and the like. Of course, a hysteresis loop may be shown for these two or more gases so that a mixture of a plurality of hydrocarbon gases such as LNG can be stored. In addition, if the gas adsorbent of the present invention is used for gas removal, the gas in which the gas adsorbent of the present invention exhibits a hysteresis loop includes hydrogen sulfide, sulfur oxide (SO x ), and nitrogen oxide (NO x ). Ammonia is preferred. Of course, a hysteresis loop may be shown for these two or more gases. A hysteresis loop may be shown for gases other than those exemplified above.
本発明のガス吸着材として使用する材料は、貯蔵させるガスや吸着時に必要となる圧力に応じて選択すればよい。特に制限されるものではないが、具体例としては、[Ni(BF4)2(bp1p)2]n(式中、bp1pは1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼンを表す。)が例示できる。 The material used as the gas adsorbent of the present invention may be selected according to the gas to be stored and the pressure required during adsorption. Although not particularly limited, [Ni (BF 4 ) 2 (bp1p) 2 ] n (wherein bp1p represents 1,4-bis (4-pyridyl) benzene) is exemplified as a specific example. it can.
[吸着材の複合化]
本発明のガス吸着材(以下吸着材(A))は、単独で吸着材として使用してもよいし、他の吸着材と複合化して使用してもよい。複合化して使用する場合には、他の吸着材として吸着等温線と脱着等温線とが一致する挙動を示す吸着材(B)と併用することで、非常に優れた吸着特性を有するガス吸着材とすることができる。
[Combination of adsorbents]
The gas adsorbent of the present invention (hereinafter referred to as adsorbent (A)) may be used alone as an adsorbent, or may be used in combination with other adsorbents. When combined and used, the gas adsorbent having very excellent adsorption characteristics when used in combination with the adsorbent (B) exhibiting a behavior in which the adsorption isotherm and desorption isotherm coincide with each other. It can be.
ここで、吸着材(B)とは、ガスに関する吸着等温線と脱着等温線とが一致する挙動を示す材料である。即ち、図2に示すように、吸着時のガス圧力−ガス吸着量カーブと、脱着時のガス圧力−ガス吸着量カーブとが実質的に一致する材料である。吸着材(B)は、かような特性を有する材料であれば特に限定されず、物理的吸着材、化学的吸着材、及びこれらが組み合わされてなる物理化学的吸着材を用いることができる。 Here, the adsorbent (B) is a material that exhibits a behavior in which an adsorption isotherm and a desorption isotherm relating to gas coincide with each other. That is, as shown in FIG. 2, the gas pressure-gas adsorption amount curve at the time of adsorption is substantially the same as the gas pressure-gas adsorption amount curve at the time of desorption. The adsorbent (B) is not particularly limited as long as it has such characteristics, and a physical adsorbent, a chemical adsorbent, and a physicochemical adsorbent formed by combining them can be used.
物理的吸着材とは、分子と分子との相互作用のような弱い力を用いて、被吸着分子を吸着する吸着材を言う。物理的吸着材としては、活性炭、シリカゲル、活性アルミナ、ゼオライト、クレー、超吸着性繊維、金属錯体が挙げられる。化学的吸着材とは、化学的な強固な結合によって、被吸着分子を吸着する吸着材を言う。化学的吸着材としては、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、過マンガン酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、燐酸ナトリウム、活性化された金属が挙げられる。物理化学的吸着材とは、物理的吸着材及び化学的吸着材の双方の吸着機構を備える吸着材を言う。これらの2種以上を組み合わせて用いてもよい。ただし、本発明の技術的範囲が、これらの具体例に限定されるものではない。吸着材(B)の形状は、特に限定されないが、一般的には、平均粒径500〜5000μmの粉末状のものを用いる。 A physical adsorbent is an adsorbent that adsorbs molecules to be adsorbed using a weak force such as the interaction between molecules. Examples of the physical adsorbent include activated carbon, silica gel, activated alumina, zeolite, clay, super adsorbent fiber, and metal complex. A chemical adsorbent refers to an adsorbent that adsorbs molecules to be adsorbed by chemical bonds. Examples of the chemical adsorbent include calcium carbonate, calcium sulfate, potassium permanganate, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium phosphate, and activated metal. The physicochemical adsorbent refers to an adsorbent that includes both physical adsorbent and chemical adsorbent adsorption mechanisms. Two or more of these may be used in combination. However, the technical scope of the present invention is not limited to these specific examples. The shape of the adsorbent (B) is not particularly limited, but generally a powdery material having an average particle size of 500 to 5000 μm is used.
吸着材(B)としては、製造コストやガス吸着性能を考慮すると、活性炭が好ましい。活性炭は、比較的安価である上、質量当たりのガス吸着量が多い。また、活性炭は、ガスの吸脱着に関するサイクル特性が悪く、吸脱着を繰り返すとガス吸着量が著しく減少する傾向がある。このため、従来においては、質量当たりのガス吸着量が多いにも拘わらず、ガス貯蔵装置やガス分離装置に用いることは困難であった。この点、本発明の吸着材(B)として用いた場合においては、活性炭の優れたガス吸着性能を充分に引き出すことができる。また、活性炭は、比表面積が大きいほど吸着量が増加する傾向を有するため、活性炭の比表面積は1000m2/g以上であることが好ましい。 As the adsorbent (B), activated carbon is preferable in consideration of production cost and gas adsorption performance. Activated carbon is relatively inexpensive and has a large amount of gas adsorption per mass. In addition, activated carbon has poor cycle characteristics related to gas adsorption / desorption, and when adsorption / desorption is repeated, the amount of gas adsorption tends to be remarkably reduced. For this reason, in the past, it was difficult to use in gas storage devices and gas separation devices despite the large amount of gas adsorption per mass. In this regard, when used as the adsorbent (B) of the present invention, the excellent gas adsorption performance of the activated carbon can be sufficiently extracted. Moreover, since activated carbon has the tendency for an adsorption amount to increase, so that a specific surface area is large, it is preferable that the specific surface area of activated carbon is 1000 m < 2 > / g or more.
使用する吸着材(B)は、吸着させるガスに応じて適宜構造を制御されることが好ましい。例えば、活性炭に含まれる細孔は、細孔の大きさによって、スーパーミクロポア(〜0.8nm)、ミクロポア(0.8〜2nm)、メソポア(2〜50nm)、マクロポア(50nm〜)に分類できる。細孔の大きさによって吸着し易いガスが異なり、例えば、メタンガスはミクロポアに吸着し易い。したがって、メタンガスを吸着させることを所望する場合には、ミクロポアの割合が大きくなるように、活性炭の細孔分布を制御するとよい。 It is preferable that the structure of the adsorbent (B) to be used is appropriately controlled according to the gas to be adsorbed. For example, the pores contained in the activated carbon can be classified into super micropores (up to 0.8 nm), micropores (0.8 to 2 nm), mesopores (2 to 50 nm), and macropores (50 nm to) depending on the size of the pores. . Gases that are easily adsorbed differ depending on the size of the pores. For example, methane gas is easily adsorbed to micropores. Therefore, when it is desired to adsorb methane gas, the pore distribution of the activated carbon may be controlled so that the proportion of micropores is increased.
本発明の吸着材(A)と吸着材(B)とを複合化する場合は、吸着材(A)は、吸着材(B)を被覆するが、好ましくは、クラックや不完全な被覆がなく、吸着材(B)が外気に触れないように完全に被覆することが好ましい。しかしながら、多少のクラック等が存在していても、吸着材(B)の自由なガス吸着を阻害し、吸着材(A)によって被覆されている吸着材(B)がガス吸着に関してヒステリシスループを示すのであれば、本発明の技術的範囲に包含されるものである。好ましくは、吸着材(B)に対して5〜50体積%の吸着材(A)で吸着材(B)を被覆する。また、吸着材(B)を被覆する吸着材(A)の厚みは、吸着材(A)の種類に応じて決定する必要があるが、吸着材(A)が薄過ぎると、吸着材(B)へのガス吸着特性を充分に制御できない虞がある。一方、吸着材(A)が厚過ぎると、吸着材(B)へのガス吸着が生じ難くなり、全体としてのガス吸着量が減少する虞がある。これらを考慮すると、吸着材(A)の平均厚みが10〜100μmであることが好ましい。吸着材(A)の厚みは、吸着材(A)の使用量の調節によって制御できる。なお、吸着材(A)の厚みは、電子顕微鏡を用いて撮影された断面写真から算出することができる。 When the adsorbent (A) and adsorbent (B) of the present invention are combined, the adsorbent (A) covers the adsorbent (B), but preferably has no cracks or incomplete coverage. It is preferable to completely cover the adsorbent (B) so that it does not come into contact with the outside air. However, even if there are some cracks or the like, the adsorbent (B) obstructs free gas adsorption, and the adsorbent (B) covered with the adsorbent (A) exhibits a hysteresis loop with respect to gas adsorption. If so, it is included in the technical scope of the present invention. Preferably, the adsorbent (B) is covered with 5 to 50% by volume of the adsorbent (A) with respect to the adsorbent (B). Further, the thickness of the adsorbent (A) covering the adsorbent (B) needs to be determined according to the type of the adsorbent (A), but if the adsorbent (A) is too thin, the adsorbent (B) ) May not be fully controlled. On the other hand, if the adsorbent (A) is too thick, gas adsorption to the adsorbent (B) is difficult to occur, and the gas adsorption amount as a whole may be reduced. Considering these, it is preferable that the average thickness of the adsorbent (A) is 10 to 100 μm. The thickness of the adsorbent (A) can be controlled by adjusting the amount of adsorbent (A) used. The thickness of the adsorbent (A) can be calculated from a cross-sectional photograph taken using an electron microscope.
吸着材(A)と(B)の複合化の方法としては、(i)吸着材(A)が溶解している溶液中に、該溶液に溶解しない吸着材(B)を添加し、その後、吸着材(A)を結晶成長させることによって、吸着材(B)表面に吸着材(A)を付着させる方法、(ii)吸着材(A)を含むスラリーを準備し、スラリーを吸着材(B)表面にコーティング・乾燥させることによって、吸着材(B)表面に吸着材(A)を付着させる方法、等を用いることができる。 As a method of combining the adsorbents (A) and (B), (i) the adsorbent (B) that does not dissolve in the solution is added to the solution in which the adsorbent (A) is dissolved, and then A method of adsorbing the adsorbent (A) on the surface of the adsorbent (B) by crystal growth of the adsorbent (A); (ii) preparing a slurry containing the adsorbent (A); ) A method of attaching the adsorbent (A) to the surface of the adsorbent (B) by coating and drying the surface, etc. can be used.
[ガス分離装置への適用]
本発明のガス吸着材は、圧力スイング吸着方式(以下「PSA方式」と略記)のガス分離装置における吸着材として用いることができる。PSA方式のガス分離は、吸着材に対するガス圧力とガス吸着量との違いを利用することを原理とする。
[Application to gas separation equipment]
The gas adsorbent of the present invention can be used as an adsorbent in a pressure separating adsorption (hereinafter abbreviated as “PSA”) gas separation apparatus. PSA gas separation is based on the principle of utilizing the difference between the gas pressure on the adsorbent and the gas adsorption amount.
活性炭やゼオライト等のガスの吸着等温線と脱着等温線とが一致する挙動を示す吸着材では、ガス吸着材には吸着量の差はあっても、二種類以上のガス(例えば、Aガス、Bガス)の両方が、吸着する場合が多い。そのため、このような従来材料を用いてPSA方式によるガス分離を行う場合、Aガス及びBガスの双方が吸着しているため、オフガスには、Bガスと共にAガスも含まれる。したがって、Aガスのみを分離する場合には、極めて非効率的であり、製品ガスとしてAガスの純度を高くするためには、オフガス中へのAガスのロスも大きくなる欠点がある。 In an adsorbent that exhibits a behavior in which the adsorption isotherm and desorption isotherm of a gas such as activated carbon and zeolite coincide with each other, the gas adsorbent has two or more kinds of gases (for example, A gas, B gas) often adsorbs. Therefore, when performing gas separation by the PSA method using such a conventional material, since both the A gas and the B gas are adsorbed, the off gas includes the A gas as well as the B gas. Therefore, when only A gas is separated, it is very inefficient, and in order to increase the purity of A gas as a product gas, there is a disadvantage that loss of A gas into off-gas increases.
一方、本発明のガス吸着材(A)では、明確なガス吸着開始圧と脱着開始圧が存在し、かつ、それがガス種によって異なるという現象がみられる。例として、[Ni(BF4)2(bp1p)2]n(式中、bp1pは1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼンを表す。)の酸素と窒素のガス吸脱着等温線を、図5に示す。この場合、酸素はO1MPaで吸収が始まり、O2MPaで脱着する。一方、窒素ではn1MPaで吸着するが、n2MPaまで脱着が始まらない。そのため、酸素と窒素の混合ガスをガス吸着材(A)にn1MPa以上で暴露して、酸素と窒素の両方を吸着させ、次いで、n2MPa以下、O1MPa以上にガス圧を制御することで、酸素ガスを放出することなく、窒素ガスのみを分離することが可能になる。即ち、ガス分離性能は飛躍的に向上し、1回のPSA操作で、コンタミネーションのない極めて高純度のガスを得ることも可能である。ただし、2サイクル以上のPSA操作を行うことを排除するものではない。 On the other hand, in the gas adsorbent (A) of the present invention, there is a phenomenon that there is a clear gas adsorption start pressure and a desorption start pressure, and these differ depending on the gas type. As an example, a gas adsorption / desorption isotherm of oxygen and nitrogen of [Ni (BF 4 ) 2 (bp1p) 2 ] n (where bp1p represents 1,4-bis (4-pyridyl) benzene) As shown in FIG. In this case, oxygen begins to absorb at O 1 MPa and desorbs at O 2 MPa. On the other hand, nitrogen adsorbs at n 1 MPa, but desorption does not start until n 2 MPa. Therefore, a mixed gas of oxygen and nitrogen is exposed to the gas adsorbent (A) at n 1 MPa or more to adsorb both oxygen and nitrogen, and then the gas pressure is controlled to n 2 MPa or less and O 1 MPa or more. By doing so, it is possible to separate only nitrogen gas without releasing oxygen gas. That is, the gas separation performance is dramatically improved, and it is possible to obtain extremely high purity gas without contamination by one PSA operation. However, it does not exclude performing a PSA operation of two cycles or more.
本発明のガス分離装置は、上述のように圧力のスイング幅が小さくてすむため、ガス分離装置の大幅な小型化にも寄与する。また、圧力スイング幅が小さいため、圧力変化に要する時間が短縮され、省エネルギーで、さらに、高純度ガスの製造ランニングコスト及び設備の固定費を低減することができる。高純度ガスを製品として販売する際のコスト競争力を高めることができることは勿論、自社工場内部で高純度ガスを用いる場合であっても、高純度ガスを必要とする設備に要するコストを削減できるため、結局最終製品の製造コストを削減する効果を有する。 Since the gas separation apparatus of the present invention requires a small pressure swing width as described above, it contributes to a significant downsizing of the gas separation apparatus. Moreover, since the pressure swing width is small, the time required for pressure change is shortened, energy saving, and further, the production running cost of high-purity gas and the fixed cost of equipment can be reduced. The cost competitiveness when selling high-purity gas as a product can be enhanced, and even when high-purity gas is used in its own factory, the cost required for facilities that require high-purity gas can be reduced. Therefore, it has the effect of reducing the manufacturing cost of the final product.
[ガス貯蔵装置への適用]
吸着材(A)をタンク等の容器内部に収容することによって、従来材料を使用した場合よりも、優れたガス貯蔵装置とすることができる。
[Application to gas storage equipment]
By storing the adsorbent (A) in a container such as a tank, a gas storage device that is superior to the case where a conventional material is used can be obtained.
本発明の吸着材(A)は、ガスの吸着開始圧と脱着開始圧が存在する。吸着開始圧以上の圧力で、急激にガスをその吸着材の吸蔵能力いっぱいまで吸蔵し、脱着開始圧以下では、吸着していたガスのほぼ全量を脱着開始圧で放出する。例として、[Ni(BF4)2(bp1p)2]n(式中、bp1pは1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼンを表す。)で表される単位構造を有する吸着材の吸脱着等温線と、活性炭等の従来の材料の吸脱着等温線とを図6に示す。吸着材(A)は、従来材料と比較して、低圧でガス貯蔵量が大きいと言う特性を有し、低圧でガスを貯蔵する場合は好適に使用することが可能である。 The adsorbent (A) of the present invention has a gas adsorption start pressure and a desorption start pressure. At a pressure higher than the adsorption start pressure, the gas is abruptly occluded to the full capacity of the adsorbent and below the desorption start pressure, almost all of the adsorbed gas is released at the desorption start pressure. As an example, adsorption / desorption of an adsorbent having a unit structure represented by [Ni (BF 4 ) 2 (bp1p) 2 ] n (wherein bp1p represents 1,4-bis (4-pyridyl) benzene) FIG. 6 shows an isotherm and an adsorption / desorption isotherm of a conventional material such as activated carbon. The adsorbent (A) has a characteristic that a gas storage amount is large at a low pressure as compared with a conventional material, and can be suitably used when storing gas at a low pressure.
さらに、また、従来材料は、ガスを脱着するに伴い、放出されるガス圧が低下する。ところが、実際の装置、例えば、ガスエンジン等でガスを使用する場合は、極低圧、例えば、0.5MPa以下では、エンジンの作動性に問題が生じる。そのため、従来材料では、ガス圧0.5MPa以下の貯蔵ガス(線より左の部分)は実質上使用できないため、貯蔵ガス圧の目減りが生じる。一方、吸着材(A)は、0.5MPaよりも高い圧力でほぼ全量のガスを放出するため、ガスの目減り現象は生じず、ガス貯蔵装置に使用した場合は、実行容量が大きいと言う好ましい特性が生じる。 Furthermore, the pressure of the gas discharged from the conventional material decreases as the gas is desorbed. However, when gas is used in an actual apparatus, for example, a gas engine, a problem occurs in the operability of the engine at an extremely low pressure, for example, 0.5 MPa or less. For this reason, in the conventional material, the storage gas having a gas pressure of 0.5 MPa or less (the portion on the left side of the line) cannot be practically used, resulting in a decrease in the storage gas pressure. On the other hand, since the adsorbent (A) releases almost the entire amount of gas at a pressure higher than 0.5 MPa, the gas loss phenomenon does not occur, and when used in a gas storage device, it is preferable that the effective capacity is large. Characteristics occur.
吸着材(A)を利用したタンク等の容器を製造する場合は、それらの構成や材料は従来公知の技術を用いることができ、特に限定されるものではない。例えば、バルブ制御によってガスの出入りを制御できる金属製容器等を用いることができる。例えば、金属製の薄肉容器の外面に、単位密度当たりの強度に優れる炭素繊維強化プラスチック材を巻き付けたものを用いることができる。容器には、ガス貯蔵装置の内圧を制御するための調整弁を備えておけば、ガス貯蔵装置からガスを放出させる際に、調整弁を活用することができる。 When manufacturing containers, such as a tank using an adsorbent (A), those structures and materials can use a conventionally well-known technique and are not specifically limited. For example, it is possible to use a metal container or the like that can control the entry and exit of gas by valve control. For example, it is possible to use a metal thin-walled container wrapped around a carbon fiber reinforced plastic material having excellent strength per unit density. If the container is provided with a regulating valve for controlling the internal pressure of the gas storage device, the regulating valve can be utilized when gas is released from the gas storage device.
吸着材(A)の収容方法は、耐圧容器中への充填等の公知手法を用いることができ、特に限定されるものではない。ガス吸着材の収容量は、ガス貯蔵装置に求めるガス貯蔵能力に応じて決定すればよい。耐圧容器の形状や材質は、特に限定されるものではない。本発明のガス貯蔵装置は、従来型のものと比較して、同じ貯蔵量を確保するためには、より低圧で構わないため、特別な耐圧構造を設けずともよい。この点で、コスト的に優位性があると言える。 The accommodation method of the adsorbent (A) can be a known method such as filling in a pressure resistant container, and is not particularly limited. The capacity of the gas adsorbent may be determined according to the gas storage capacity required for the gas storage device. The shape and material of the pressure vessel are not particularly limited. The gas storage device of the present invention does not need to be provided with a special pressure-resistant structure because it may be at a lower pressure in order to ensure the same storage amount as compared with the conventional type. In this respect, it can be said that there is an advantage in cost.
ガス吸着材が粉末状である場合には、ガス貯蔵装置を構成する容器に収容しようとすると、うまく充填できない虞がある。形状自由度の高いタンクを用いる場合には、特にこの問題が顕著となる虞がある。この場合には、粉体を錠剤形状にして収容してもよい。錠剤形状の物を用いる場合には、取扱性に優れ、老朽化した化合物を交換する際等に非常に便利である。 When the gas adsorbent is in a powder form, there is a possibility that it cannot be filled well if it is stored in a container constituting the gas storage device. When using a tank having a high degree of freedom in shape, this problem may be particularly noticeable. In this case, the powder may be stored in a tablet shape. In the case of using a tablet-shaped product, it is excellent in handleability and is very convenient when replacing an aged compound.
本発明のガス貯蔵装置は、これらに限定されるものではないが、業務用ガスタンク、民生用ガスタンク、車両用燃料タンク等の各種適用用途を有する。搬送時や貯蔵時のガス圧力を減少させ得ることに起因する効果としては、形状自由度の向上がまず挙げられる。従来のガス貯蔵装置においては、貯蔵時の圧力を維持しなくては、ガス吸着量を高く維持できない。しかしながら、本発明のガス貯蔵装置においては、圧力を低下させても、充分なガス吸着量を維持できる。このため、容器の耐圧性を低くすることができ、ガス貯蔵装置の形状をある程度自由に設計することができる。この効果は、例えば、自動車等の車両用燃料ガスタンクとして、本発明のガス貯蔵装置を用いた場合には絶大である。従来型の燃料ガスタンクにおいては、燃料ガスタンクの形状は、車両の形状とは無関係に決定されてしまう。このため、必然的に相当量のデッドスペースが生じることになる。また、高圧を保つために特別な装置が必要ともなる。この点、燃料ガスタンクとして本発明のガス貯蔵装置を用いた場合には、上述のように耐圧性に関する制約が緩くなるため、形状をある程度自由に設計できる。具体的には、車両における車輪やシート等の形状にフィットするようにガス貯蔵装置の形状を調節することが可能となる。その結果、車両の小型化、荷物スペースの確保、車両の軽量化による燃費向上等の各種実利が得られる。 The gas storage device of the present invention has various applications such as, but not limited to, commercial gas tanks, consumer gas tanks, and vehicle fuel tanks. As an effect resulting from the ability to reduce the gas pressure at the time of conveyance or storage, firstly, improvement in the degree of freedom of shape can be mentioned. In the conventional gas storage device, the gas adsorption amount cannot be maintained high unless the pressure during storage is maintained. However, in the gas storage device of the present invention, a sufficient amount of gas adsorption can be maintained even if the pressure is reduced. For this reason, the pressure resistance of a container can be made low and the shape of a gas storage apparatus can be designed freely to some extent. This effect is enormous, for example, when the gas storage device of the present invention is used as a fuel gas tank for a vehicle such as an automobile. In the conventional fuel gas tank, the shape of the fuel gas tank is determined regardless of the shape of the vehicle. This inevitably results in a considerable amount of dead space. In addition, a special device is required to maintain a high pressure. In this regard, when the gas storage device of the present invention is used as a fuel gas tank, the restrictions on pressure resistance are relaxed as described above, so that the shape can be designed to some extent freely. Specifically, the shape of the gas storage device can be adjusted to fit the shape of wheels, seats, and the like in the vehicle. As a result, various benefits such as miniaturization of the vehicle, securing of luggage space, and improvement of fuel consumption due to weight reduction of the vehicle can be obtained.
高分子金属錯体の調製方法は、ガス吸着材の種類によって異なるものであり、一義的に決定できるものではないが、ここでは、[Ni(BF4)2(bp1p)2]n(式中、bp1pは1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼンを表す。)を合成する場合を例に取り、説明する。 The method for preparing the polymer metal complex varies depending on the type of the gas adsorbent and cannot be uniquely determined. Here, [Ni (BF 4 ) 2 (bp1p) 2 ] n (wherein bp1p represents 1,4-bis (4-pyridyl) benzene.) An example of the synthesis will be described.
(実施例1)
ほうふっ化ニッケル(II)のエタノール溶液(80mmol/L)に、1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼンのエタノール溶液(80mmol/L)をゆっくりと積層し、密栓をして10日間静置した。析出した粉体を減圧濾過し、減圧乾燥し、白味がかった青色の高分子金属錯体の結晶を得た。
(Example 1)
An ethanol solution (80 mmol / L) of 1,4-bis (4-pyridyl) benzene is slowly laminated on an ethanol solution (80 mmol / L) of nickel (II) borofluoride, sealed, and left for 10 days. did. The precipitated powder was filtered under reduced pressure and dried under reduced pressure to obtain whiteish blue polymer metal complex crystals.
得られた結晶の組成を決定するために、以下の実験を行った。得られた結晶を3Paの減圧下、100℃で3時間乾燥し、アルゴン気流下で1.00gを秤量し、その粉体を1mol/Lのアンモニア水に溶解し、ジクロロメタンで抽出した。ジクロロメタンをロータリーエバポレーターにて留去し、得られた固体662mgをガスクロマトグラフ質量分析計(島津製作所QP5050A)を用いて分析した結果、1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼンであり、結晶中には66.2質量%含まれていることが分かった。また、アンモニア水層をICP発光法により、ニッケルの含有量を調べた結果、8.13質量%であった。また、アンモニア水層を蒸留分離吸光光度法により、フッ素原子の含有量を調べた結果、22.4質量%であることが分かった。さらに、アンモニア水層をICP発光法により、ほう素原子の含有量を調べた結果、3.02質量%であることが分かった。これらをあわせて、得られた結晶の組成は、[Ni(BF4)2(bp1p)2]nであることが分かった。 In order to determine the composition of the obtained crystal, the following experiment was conducted. The obtained crystals were dried at 100 ° C. for 3 hours under reduced pressure of 3 Pa, 1.00 g was weighed under an argon stream, and the powder was dissolved in 1 mol / L aqueous ammonia and extracted with dichloromethane. Dichloromethane was distilled off using a rotary evaporator, and 662 mg of the obtained solid was analyzed using a gas chromatograph mass spectrometer (Shimadzu QP5050A). As a result, it was 1,4-bis (4-pyridyl) benzene, Was found to be contained at 66.2% by mass. Further, the content of nickel in the aqueous ammonia layer was examined by ICP emission method, and as a result, it was 8.13% by mass. Further, the content of fluorine atoms in the aqueous ammonia layer was examined by distillation separation spectrophotometry, and as a result, it was found to be 22.4% by mass. Furthermore, the content of boron atoms in the aqueous ammonia layer was examined by ICP emission method, and as a result, it was found to be 3.02% by mass. Together, it was found that the composition of the obtained crystal was [Ni (BF 4 ) 2 (bp1p) 2 ] n .
得られた結晶を3Paの減圧下、100℃で3時間乾燥し、窒素気流下でパーキンエルマー社製赤外分光装置system2000及びATRアタッチメントを使用して、赤外分光法にて分析を行った。測定の結果、以下の吸収を有し、bp1p分子及びBF4 −イオンを含有した錯体であることが分かった:3503、1618、1555、1489、1432、1334、1224、1137、1070、1023、1012、981、945、865、842、813、763、726cm−1。 The obtained crystals were dried at 100 ° C. under reduced pressure of 3 Pa for 3 hours, and analyzed by infrared spectroscopy using a Perkin Elmer infrared spectrometer system 2000 and ATR attachment under a nitrogen stream. As a result of the measurement has an absorption of less, BP1P molecules and BF 4 - was found to be a complex containing an ion: 3503,1618,1555,1489,1432,1334,1224,1137,1070,1023,1012 , 981, 945, 865, 842, 813, 763, 726 cm −1 .
得られたガス吸着材の77Kでの窒素吸着特性を調査した。測定には、BET自動吸着装置(日本ベル株式会社製ベルソープ36)を用いた。測定に先立って、試料を383Kで3時間真空乾燥して、微量残存している可能性がある溶媒分子等を除去した。相対圧が約0.4までは窒素の吸着は観測されず、0.4を超えるあたりで吸着量が急激に増加する現象が確認された。窒素ガスの吸着量は350mL/gであった。 The nitrogen adsorption characteristic at 77K of the obtained gas adsorbent was investigated. For the measurement, a BET automatic adsorption device (Bell Soap 36 manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.) was used. Prior to the measurement, the sample was vacuum-dried at 383 K for 3 hours to remove solvent molecules that may remain in a trace amount. Nitrogen adsorption was not observed until the relative pressure was about 0.4, and a phenomenon was observed in which the amount of adsorption rapidly increased when the relative pressure exceeded 0.4. The adsorption amount of nitrogen gas was 350 mL / g.
さらに、また、得られたガス吸着材の室温でのメタン吸着特性を調査した。試料は、測定に先立って383Kで3時間真空乾燥して、微量残存している可能性がある溶媒分子等を除去した。測定は、303Kにおける質量法によるメタン高圧吸着等温線測定により、行った(電子天秤はcahn社製cahn balance 1100を使用。メタンの純度としては99.5%のものをドライアイス−エタノールトラップを通したものを使用)。約8MPaまではメタンの吸着は観測されず、8MPaを越えるあたりで急激な吸着量の増加が確認された。また、脱着に際しては、約3.5MPaまでの脱着量は僅かであったのに対して、3.5MPaを下回ったあたりで急激な吸着量の減少が確認された。メタンガスの吸着量の最大値は、ガス吸着材1cm3当たり158cm3(Normal)であった。 Furthermore, the methane adsorption property at room temperature of the obtained gas adsorbent was investigated. Prior to measurement, the sample was vacuum-dried at 383 K for 3 hours to remove solvent molecules and the like that may remain in trace amounts. The measurement was carried out by methane high-pressure adsorption isotherm measurement by mass method at 303K (the electronic balance uses a cahn balance 1100 manufactured by Cahn, Inc. The purity of methane is 99.5%, passed through a dry ice-ethanol trap. Use what you did). No adsorption of methane was observed up to about 8 MPa, and a sudden increase in the amount of adsorption was confirmed around 8 MPa. In addition, during the desorption, the desorption amount up to about 3.5 MPa was slight, but a sudden decrease in the adsorption amount was confirmed around 3.5 MPa. The maximum value of the adsorption amount of methane gas was 158 cm 3 (Normal) per 1 cm 3 of the gas adsorbent.
本発明の高分子金属錯体は、配位子の整列によって形成される多数の微細孔が物質内部に存在する。この多孔性を生かして、様々な物質の吸着、除去に利用できる。例えば、空気中の有毒物質の除去、水中の無機物および有機物等の不要物の除去による水の浄化、あるいは空気や水中の有用な物質を吸着して、これを取り出すことで有用物質の空気や水からの回収が可能となる。 In the polymer metal complex of the present invention, a large number of micropores formed by alignment of ligands are present inside the substance. Taking advantage of this porosity, it can be used for adsorption and removal of various substances. For example, removal of toxic substances in the air, purification of water by removing unnecessary substances such as inorganic and organic substances in the water, or adsorption of useful substances in the air and water and taking them out, the useful substances air and water Can be recovered.
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