低温プラズマ場による触媒活性種の高機能化

• Project/Area Number: 13126220
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Chiba Institute of Technology
• Principal Investigator: 尾上 薫 千葉工業大学, 工学部, 教授 (40265468)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山口 達明 千葉工業大学, 工学部, 教授 (70083871)
• Project Period (FY): 2001 – 2003
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2003)
• Budget Amount: ¥10,500,000 (Direct Cost: ¥10,500,000); Fiscal Year 2003: ¥2,400,000 (Direct Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2002: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,900,000); Fiscal Year 2001: ¥4,200,000 (Direct Cost: ¥4,200,000)
• Keywords: マイクロ波 / プラズマ / メタン / 触媒 / 白金 / ゼオライト / エチレン

Research Abstract

本研究では原料にマイクロ波を照射しプラズマ化することで触媒表面への到達前に原料を活性種に変換し,触媒活性の高機能化による新たな反応プロセスの開発を行った.ケーススタディーとして反応原料にメタンまたはメタン/酸素混合ガスを,固体触媒としてPt/Al_2O_3またはH-ZSM-5を選定し,以下に示す知見を得た.
[1]マイクロ波照射で生じた活性種の存続領域
マイクロ波照射領域ではメタンから炭化水素種活性種,水素種活性種が,酸素からは酸素種活性種が生成し,いずれの場合も気相ラジカルが生成することを確認した.また,照射場から100mm離れた場合にはそれぞれのラジカル濃度が半減することを明らかにした.
[2]メタンプラズマとPt/Al_2O_3触媒との複合によるエチレンの合成
マイクロ波照射額域から固体触媒層までの距離(ξ)を変化させた結果,ξ=0mmでのエチレン収率(YC_2H_4)は78%を示した.また,ξ=100mmではYC_2H_4は3%であった.ξの増加にともないYC_2H4が減少することからメタンプラズマ濃度が高い条件で触媒に接触させることでエチレンが高収率で得られることを明らかにした.
[3]メタンプラズマとH-ZSM-5触蝶との複合による油状生成物の生成
[2]と同様の操作を行ったところ,メタンプラズマ濃度と油状生成物は正の相関を示した.このとき最大油状生成物収率は57%であり,脂肪族化合物を主とする生成物が得られることを見いだした.
[4]メタン/酸素混合ガスプラズマとPt/Al_2O_3触媒との複合がメタンの酸化に及ぼす影響の検討
ξ=0mmでは一酸化炭素(収率YCO=40%),および二酸化炭素(YCO_2=59%)が得られ,炭化水素の生成は些少であった.ξの増加にともないYCO_2が減少しYCOが増加する傾向が得られた.また,いずれの場合も水蒸気の生成が些少であったことからメタン/酸素混合ガスにマイクロ波を照射することで水蒸気の生成を抑制しながらメタンの炭素酸化を促進することを明らかにした.

Research Products

• [Publications] 尾上ら: "マイクロ波プラズマ/固体触媒複合法によるメタンの転換"Catalysts & Catalysis. 46(印刷中). (2004)
• [Publications] Onoe et al.: "CH_4 Reforming with CO_2 Using Microwave Plasma Technique"16th International Symposium on Plasma Chemistry. S-11-S-18 (2003)
• [Publications] Onoe et al.: "Cellulose Decomposition under Microwave Irradiation State"16th International Symposium on Plasma Chemistry. S-11-S-14 (2003)
• [Publications] 尾上ら: "熱拡散現象を利用したメタンから炭化水素の合成"分離技術. 13. 108-112 (2003)
• [Publications] Onoe et al.: "The Function Enhancement of Solid Catalyst by Microwave Plasma Technique"The First International Conference on Green & Sustainable Chemistry. 157 (2003)
• [Publications] Onoe et al.: "Effects of scale-up factor on characteristics of methane dehydrogenative coupling using a thermal diffusion column reactor"Journal of the Japan Petroleum Institute. 45. 10-14 (2002)
• [Publications] (財)産業創造研究所編: "マイクロ波応用技術 -化学,材料,医療から環境浄化まで"工業調査会(印刷中). (2004)
• [Publications] Onoe et al.: "The Function Enhancement of Solid Catalyst by Microwave Plasma Technique"The First International Conference on Green & Sustainable Chemistry. 157 (2003)
• [Publications] Onoe et al.: "Cellulose Decomposition under Microwave Irradiation State"The First International Conference on Green & Sustainable Chemistry. 158 (2003)
• [Publications] Onoe et al.: "Characteristics of Methane Oxidation Using Microwave Plasma Technique"International Symposium on Microwave Science and Its Application to Related Fields. 184-185 (2002)
• [Publications] Onoe et al.: "Biomass Decomposition by Microwave Plasma Technique"International Symposium on Microwave Science and Its Application to Related Fields. 122-123 (2002)
• [Publications] Onoe et al.: "Effect of Reactive Separation Characteristics with Thermal Diffusion Column Reactor on Methane Dehydrogenative coupling"The Sixth International Symposium on Separation Technology. 195-198 (2002)
• [Publications] Onoe et al.: "Plasma Cracking of Coal under Microwave Plasma"9^<th> APCChE Congress and CHEMECA 2002. 670 (2002)
• [Publications] Onoe et al.: "Effects of scale-up factor on characteristics of methane dehydrogenative coupling using a thermal diffusion column reactor"Journal of the Japan Petroleum Institute. 45. 10-14 (2002)
• [Publications] 尾上ら: "マイクロ波プラズマ法を用いたメタンの転換反応"産業技術国際交流会 マイクロ波効果・応用シンポジウム 講演要旨集. 78-79 (2001)
• [Publications] 尾上ら: "メタンプラズマを用いた褐炭の転換反応"産業技術国際交流会 マイクロ波効果・応用シンポジウム 講演要旨集. 192-193 (2001)
• [Publications] Onoe et al.: "Development of the hybrid conversion system between methane and brown coal using microwave plasma"The 12^<th> CRC International Symposium on "Advanced Chemical Conversion of methane". 52-53 (2001)
• [Publications] Onoe et al.: "Conversion of biogas(CO2+CH4) to synthesis gas(CO+H2) by a thermal diffusion column reactor with catalyst loaded pyrogen"The 12^<th> CRC International Symposium on "Advanced Chemical Conversion of methane". 50-51 (2001)
• [Publications] Onoe et al.: "Development of thermal diffusion column reactor using carbon-rod pyrogen"International Catalyst Conference 2001 abstracts. 46-48 (2001)