東レ、ナノ・マイクロポアス構造を持つ多孔質カーボンファイバーを開発──優れた吸着性と導電性

東レの新しい多孔質カーボンファイバー（左上、中空の中心軸を示す）は、ファイバー全体に制御可能なナノ・マイクロスケールのポア構造を持つ（右上）。この多孔質構造により、ガス分離膜のサポート構造として有用な効果的な濾過媒体となる。また、カーボンは化学的・物理的濾過の両方でよく知られた吸着特性を持ち、優れた熱・電気伝導体でもあるため、この多孔質カーボンファイバーは先進的な電池システムや化学プロセス用触媒担体としても用途が期待される。出典：東レ株式会社

世界初の連続ナノ/マイクロポアス構造

東レ株式会社（日本・東京）は2019年11月中旬、ファイバー全体に連続的なナノおよび/またはマイクロスケールのポア構造を持つ世界初の多孔質カーボンファイバーを開発したと発表。今後5年以内の実用化を目指す。具体的な用途の1つは、二酸化炭素（CO₂）、バイオガス、水素などのガスを分離するガス分離技術への利用だ。

従来のガス分離の課題

東レによれば、従来のガス分離は大規模プラントで行われ、多くのエネルギーを消費し、大量のCO₂を排出する。より環境に優しい新アプローチとして、ナノポアス膜を用いたガス濾過があるが、これまで大規模・長期利用に必要な効率と耐久性が不足していた。

東レの新しい多孔質カーボンファイバー製品は、現在のガス分離膜の性能を向上させ、膜をより薄く、軽量、コンパクトにし、耐熱性、耐圧性、耐薬品性を高めることで、この問題を解決する可能性がある。特に燃料電池用水素製造への応用が期待される。

多孔質濾過媒体の現状

ナノ・マイクロポアス濾過媒体自体は新しくない。ポリエーテルサルフォン（PES）、ポリサルフォン（PSU）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、酢酸セルロース（CA）などの熱可塑性ポリマーが、ナノポアス平膜やナノポアスファイバーの製造に広く用いられる。用途は高性能浄水器、飲料・食品濾過、医療用フィルター（血液分離・透析）、産業用ガス分離（化学、石油化学、発電、製鉄、医療、肥料、環境、電子、航空宇宙）など多岐にわたる。

より過酷な条件（高低温、強力化学薬品、高固形分）では、セラミックス（酸化アルミニウムなど）や金属（酸化チタン、ステンレス鋼）も使用される。用途に応じて、マイクロ濾過（0.1μm）、超濾過（0.01μm）、ナノ濾過（0.001μm）、逆浸透（0.0001μm）といった異なるポアサイズ・多孔度で製造可能。

高性能濾過媒体に求められる要件

• 幅広い耐薬品性（分離対象物質だけでなく、メンブレン洗浄に使われる次亜塩素酸ナトリウムにも耐える）
• 優れた機械的強度（高圧で固液ガスを分離するため）
• 透過性（濾過機能を果たす）
• 低ファウリング（メンブレンを清潔に保ち、長期効率運転を可能にする）

多孔質カーボンファイバーの優位性

カーボンファイバーをナノポアス濾過媒体として使えることは、いくつかの点で魅力的だ。第一に、活性炭（微細な孔を持つカーボンで、吸着・化学反応用の表面積を増やしたもの）は、低性能濾過システムの一構成要素として長年使用されてきた。原子カーボンの豊富な空軌道と活性炭の増大した表面積により、さまざまな活性物質を捕捉・結合（吸着）する効果的な媒体となり得る。しかし、活性炭は本質的に固体であるため、透過機能は基板表面に限定され、濾過機能は主に物理的（化学的ではない）であり、効果的に分離できる物質の種類とサイズが限られる。

一方、東レの多孔質カーボンファイバー、またはこれを粉砕して得られる粉末では、ポアが構造全体を貫通して連続しているため、物理的にも化学的にも濾過できる製品が作れる。原子カーボンの吸着特性を活かし、ナノポアスカーボンファイバーは高性能電池の電極材料や触媒担体として有用かもしれない。さらに、カーボンのあらゆる固体形態は優れた熱伝導体かつ電気伝導体であり、特定用途で有利に働く可能性がある。

東レによれば、その製品ではポアサイズ（マイクロからナノレベル）と断面ポア形状が制御可能で、「固体」多孔質ファイバーでも中空多孔質ファイバー（ファイバー長手方向に中心軸を持つ）でも対応可能。これまで「大きな」ポアと「小さな」ポアの両方を作れることを確認している（具体的なポアサイズは非公表）。カーボンファイバーはすでに炭化・黒鉛化されているため、化学的に安定で非常に剛性が高く強度も高い──これらの特性も、より強靭でコンパクトなガス分離膜の製造に活かせる。

3つの社内専門分野を融合

同社は、ポリマー、カーボンファイバー、分離膜/浄水技術という3つの社内専門分野の知見を結集して新製品を開発したと報告している。

新R&Dイノベーションセンターで商用化加速

2019年12月11日、東レは滋賀工場（大津市）敷地内に新しい「R&Dイノベーションセンター・フォー・ザ・フューチャー」を開設（リボンカッティング式典開催）。同工場は1926年に操業開始。2棟からなるこの施設は、多孔質カーボンファイバーを含む複数の戦略的イニシアチブのグローバル本部として、学術機関や多様な分野の産業パートナーと連携する。

東レはすでに複数のパートナーと協力し、各組織の専門性を活かして、天然ガス・バイオガス精製と燃料電池用水素製造（電気自動車・建物向け）を支える経済的で環境に優しい高度ガス分離膜の商用化を推進している。このチームは、新タイプのガス分離膜コンセプトを開発。熱、化学薬品、圧力に強い4層構造を提案し、東レの多孔質カーボンファイバーを支持層、パートナー技術をガス分離層として、天然ガス（層A）、バイオガス（層B）、水素（層C）、プロピレン（層D）を分離・精製可能だという。

また、この新材料の研究を継続し、カーボンリサイクル、水素エネルギー生産、産業の環境フットプリント縮小を促進する。これは、東レグループの「サステナビリティビジョン」の一翼で、2050年までに環境・資源・エネルギー課題への貢献を通じて低炭素経済の実現を目指すものだ。