【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　根岸雄一

〇多元物質科学研究所　講師　Das Saikat
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• ヘテロ原子（酸素・硫黄）を精密に組み込んだ共有結合性有機構造体（COF）^（注1）を開発し、混合マトリックス膜（MMM）^（注2）に応用しました。
• 酸素含有COF「TUS-621」を高分子（Pebax）膜中に導入することで、CO₂/CH₄およびCO₂/H₂分離において、従来膜性能の指標であるロベソン上限（Robeson upper bound）^（注3）を超える高性能を達成しました。
• 理論計算により、酸素豊富な細孔環境がCO₂との強い相互作用を生み出し、選択的CO₂輸送を促進していることを明らかにしました。

【概要】

二酸化炭素（CO₂）の高効率分離は、天然ガス精製、水素製造、カーボンマネジメントなど、エネルギー・環境技術の根幹を支える重要課題です。しかし、従来の高分子膜では、「透過性」と「選択性」の間にトレードオフが存在し、両者を同時に向上させることは極めて困難とされてきました。

東北大学多元物質科学研究所の根岸 雄一 教授、Das Saikat 講師らの研究グループは、ヘテロ原子設計に基づく二次元π共役共有結合性有機構造体（COF）「TUS-621」および「TUS-622」を開発し、これらを高分子（Pebax）膜中に均一分散させた混合マトリックス膜（MMM）を作製しました。

特に酸素含有COFであるTUS-621を導入したTUS-621/Pebax-10%膜は、混合ガス条件下においてCO₂透過係数433 Barrer、CO₂/CH₄選択性55.3を達成し、2008年のロベソン上限（Robeson upper bound）を超える優れた分離性能を示しました。また、CO₂/H₂分離においても高い透過性と選択性を同時に実現しました。

本研究成果は、細孔内ヘテロ原子化学を精密制御することで、分子レベルの設計を膜レベルのCO₂分離性能へ直接反映できることを示したものであり、次世代高効率CO₂分離膜設計の新たな指針となることが期待されます。
本研究成果は、2026年5月21日公開の学術誌Journal of the American Chemical Society に掲載されました。

【用語解説】

注1. 共有結合性有機構造体（COF: Covalent Organic Framework）
COFは、有機分子同士が強固な共有結合によって周期的に連結された結晶性多孔材料であり、規則的な細孔構造、高い比表面積、優れた化学安定性、および高い設計自由度を特徴とする。分子レベルで細孔サイズや細孔表面化学を精密に制御できるため、ガス分離、触媒、エネルギー貯蔵、吸着など多様な機能材料として注目されている。

注2. 混合マトリックス膜（MMM: Mixed Matrix Membrane）
混合マトリックス膜（MMM）は、高分子膜中に多孔性材料を均一分散させた複合膜であり、高分子の加工性・機械的柔軟性と、多孔性材料の高選択的分離性能を融合できることが特徴である。本研究では、Pebaxという高分子によって作製された高分子膜にCOFを均一分散させた。

注3. ロベソン上限（Robeson upper bound）
ロベソン上限（Robeson upper bound）とは、高分子膜における「ガス透過性」と「ガス選択性」の間に存在する経験的な性能限界を示した指標である。一般に、透過性を高めると選択性が低下し、逆に選択性を高めると透過性が低下するというトレードオフ関係が知られている。Robeson upper boundを超えることは、従来膜性能を超越した革新的ガス分離材料であることを意味する。

【論文情報】

タイトル：Heteroatom-Engineered Covalent Organic Frameworks Break the CO2 Separation Trade-Off in Mixed Matrix Membranes
著者：入江 司¹†、Liting Yu²†、Sourav Ghosh³、野崎 未佳¹、佐々木 Kohki¹、川脇 徳久¹、Ranjit Thapa³,⁴*、Zhao Yu⁵*、Das Saikat¹*、Zixi Kang²,⁶*、根岸 雄一¹*
（1. 東北大学多元物質科学研究所、2. 中国石油大学（華東）材料科学工学学院・山東省智能エネルギー材料重点実験室、3. SRM University-AP 物理学科、4. SRM University-AP 計算・統合科学センター、5. 浙江師範大学 先進フッ素含有材料研究所、6. 中国石油大学（華東）重質油処理国家重点実験室）
†これらの著者は本研究に同等の貢献をしました。
*責任著者：SRM University-AP　Ranjit Thapa
浙江師範大学　教授　Zhao Yu
東北大学 多元物質科学研究所　講師　Das Saikat
中国石油大学（華東）　Zixi Kang
東北大学 多元物質科学研究所　教授　根岸 雄一
掲載誌：Journal of the American Chemical Society
DOI：10.1021/jacs.5c23169

詳細（プレスリリース本文）

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教授　根岸雄一
TEL: 022-217-5604
Email: yuichi.negishi.a8*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

東北大学多元物質科学研究所
講師　Das Saikat
TEL: 022-217-5606
Email: das.saikat.c4*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
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TEL: 022-217-5198
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