【材料科学】高度な脱塩機能を発現するナノ構造制御カーボンの水分離膜をドライプロセスで合成することに成功

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共同発表：高度な脱塩機能を発現するナノ構造制御カーボンの水分離膜をドライプロセスで合成することに成功～窒素ドープ（添加）によって分離機能が向上～
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20160408-3/index.html

ポイント
新規な膜形成手法（ドライプロセス）によって、従来のＤｉａｍｏｎｄ－Ｌｉｋｅ　Ｃａｒｂｏｎ（ＤＬＣ）膜より柔らかい炭素ベースの水分離膜を新たに開発し、最大９６％という高い脱塩性能を達成。添加する窒素の量を調整することにより、脱塩性、透水性、耐塩素性を最適化できることを見出しました。
コンピューターのシミュレーションでもその有効性を確認しており、資源開発など厳しい条件下での水処理膜の実用化が期待できます。
本研究成果は、英科学誌Ｎａｔｕｒｅ系の専門誌「ＮＰＧ　Ａｓｉａ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＊」に掲載されます（２０１６年４月１日付で電子版が公開されました）。

ダイヤモンド構造と炭素構造がハイブリッド化したアモルファス（非晶質）のナノカーボン膜（Ｄｉａｍｏｎｄ－Ｌｉｋｅ　Ｃａｒｂｏｎ：ＤＬＣ）は現在、ハードディスク表面や工具類、ペットボトルなどのコーティング材として広範な用途で用いられております。

今回、信州大学ＣＯＩ拠点の研究グループでは、従来のＤＬＣ膜をベースに、ナノ構造を巧みにかつ最適に制御することで、高度な水処理に使用できるナノカーボン製の水分離膜を開発しました。

具体的には、スパッタ法注１）により、ターゲットの高純度カーボンにプラズマ化したアルゴン、窒素、メタンを衝突させることでカーボンなどの分子を弾き出し、多孔性高分子膜（ポリサルフォン／ＰＳＵ）の基材上に付着・堆積させることで、厚さ２０－３０ｎｍのナノカーボン膜を形成します。添加する窒素量の原子レベルでの制御により、脱塩性、透水性、耐塩素性を最適化でき、さらに窒素ドープ量を増やすことで最大９６％という高いＮａＣｌ除去率を示すことを見出しました。

本成果は、石油や非在来型資源開発など厳しい条件下での水処理膜の応用展開が期待されます。

今回の開発したナノカーボン水分離膜は、多孔性高分子膜（ＰＳＵ）の基材上に成膜されています（図１）。

すなわち、多孔性高分子膜の基材上に、犠牲層（ポリビニルピロリドン／ＰＶＰ）をコーティングし、その上からスパッタ法にてナノカーボン分離膜を成膜し、その後コーティング層を溶かすプロセスにより調製しています。この方法で、多孔質高分子基材上にナノカーボン分離膜が均一に成膜できることは、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）およびＡＦＭ（原子間力顕微鏡）の画像で確認しました（図２）。得られたナノカーボン分離膜は、従来のＤＬＣ膜よりも柔らかく、透水性および脱塩特性を評価した結果、０．２％のＮａＣｌ水溶液から最大で９６％という高いＮａＣｌ除去率を示すことが確認されました※１）（図３ａ）。また、殊に添加する窒素ドープ量を制御することにより、脱塩性、透水性、耐塩素性などの特性が最適となる条件を明らかにしました※２）（図３ｂ）。

さらに、本拠点で導入したスーパーコンピューターを用いたシミュレーションで、アモルファスカーボン（ａ－Ｃ）の窒素ドープ量の違いによるナノ構造モデルを示しました※３）（図４）。本結果より、ａ－Ｃ中の窒素ドープ量を増やすこと事により、膜中の空隙が減少しており、これが脱塩性、透水性向上に関係していることが確認されました。

なお、本論文に関する特許は申請済みです。

（以下略）