MOF粒子が示す構造転移挙動の相転移シミュレーションと粒径依存性解明Understanding Particle-Size-Dependent Structural Transition of Flexible Metal–Organic Frameworks
京都大学大学院工学研究科化学理工学専攻Department of Chemical Science and Engineering, Kyoto University ◇ 〒615–8530 京都市西京区京都大学桂
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構造柔軟性を有する金属–有機構造体(Metal–organic frameworks; MOFs)は,ガス吸着の際に無孔構造から有孔構造へと構造変形することで,大量のガス分子を細孔内に取り込む。この現象は,ゲート吸着と呼ばれ,ある圧力においてステップ状の吸着量増加を示すことが特徴である。この圧力近傍では,圧力変化に対する吸着量変化が大きいため,蒸留分離に代わる,省エネルギーなガス分離技術への応用が期待されている。ゲート吸着が示す吸着等温線は,吸脱着ヒステリシスを伴い,昇圧時と降圧時の構造変形圧が異なる。さらに,これらの挙動は対象試料の粒子サイズによって変化し,多くの場合,金属–有機構造体粒子のサイズが小さいほど,吸脱着ヒステリシスが大きくなる。次世代材料であるMOFsの工学利用に向けては,吸脱着挙動の理解が重要であるが,未だに完全とは言えない。そこで,本説では,積層構造を有するELM-11を対象に,吸脱着挙動の粒子サイズ依存性を実験的に検証し,簡易的な固相相転移モデルを用いたシミュレーションによって明らかとなった,粒子全体での構造変形の熱力学について解説する。
Flexible metal–organic frameworks (MOFs) can undergo structural transitions induced by gas adsorption, called gate adsorption. Because this transition occurs abruptly at a specific pressure, the adsorption isotherm exhibits a step-like increase in uptake. Across this pressure, small pressure changes result in large variations in amount adsorbed, making this phenomenon promising for energy-efficient separation technologies as an alternative to conventional distillation. However, gate adsorption is typically accompanied by adsorption–desorption hysteresis, in which the transition pressures differ between the pressurization and depressurization processes, and the fundamental understanding of this behavior remains limited. In particular, the adsorption–desorption behavior strongly depends on the particle size of the sample. Specifically, many MOFs exhibit larger hysteresis as the particle size decreases, but the origin of this dependence has not been clarified. In this review, we focus on ELM-11, a layered MOF, and first present the particle-size-dependent differences in adsorption–desorption behavior. We then model the solid-phase transition occurring across the entire particle and provide a thermodynamic interpretation of the observed phenomena.
キーワード:金属–有機構造体;吸着誘起構造転移;相転移シミュレーション;熱力学解析;粒子サイズ依存性
Key words: metal–organic frameworks; guest-induced structural transition; phase-transition simulation; thermodynamic analysis; particle-size dependence
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