非平衡プラズマが創る新規触媒機能と活性種輸送・表面反応ダイナミクス解明

• Project/Area Number: 19J00517
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 19020:Thermal engineering-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 亀島 晟吾 北海道大学, 工学研究院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: プラズマ触媒 / 反応診断 / 分光分析 / 非平衡プラズマ / 低ガス圧プラズマ / メタン改質 / 水素 / 温室効果ガス / プラズマ化学

Outline of Research at the Start

非平衡プラズマにより創出される新規触媒機能を解明する。
非平衡プラズマを触媒反応に重畳させることで，触媒活性が向上し，低温・高速物質転換が実現する。本課題では，非平衡プラズマにより生成される活性種を同定し，また触媒表面をモニタリングし反応中間体を観察する。非平衡プラズマによる活性種の生成・供給，触媒表面における反応中間体の形成・消費といったダイナミクスを明らかにし，非平衡プラズマによる触媒反応促進メカニズムを解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、プラズマ触媒反応における反応診断法の開発を目的としている。本年度はプラズマ触媒反応によるメタンの脱水素反応による触媒表面の化学状態を観察した。プラズマは誘導結合プラズマを、触媒はLa-Ni/Al2O3触媒を使用した。触媒表面の化学状態の観察は担体中のCr3+（不純物）をプローブとした蛍光分析法を使用した。
本研究で用いる蛍光分析は、触媒反応に伴いCrイオンの価数が変化することで蛍光強度が変化することを利用したものである。メタンの脱水素反応は一般に熱反応では400 °C以上の温度で顕著に進行するが、室温において酸化されたLa-Ni/Al2O3触媒をCH4プラズマで処理することによりCr3+の蛍光強度が減少した。これは、メタンの脱水素反応が触媒上で進行していることを示している。この時、装置容積に対して触媒が非常に小さかったため、反応後のガス分析は困難であったが、蛍光強度の観測は可能であった。
本研究のような低ガス圧プラズマ中に触媒を設置する手法では、装置内容積に対して触媒が小さいため、ガス分析は困難であるが、本手法では、触媒表面からの蛍光を観察するため、低ガス圧プラズマ中の触媒反応の診断が可能となる。これにより、プラズマパラメータの診断が容易な低ガス圧プラズマにおけるプラズマ触媒反応を診断することで、電子温度や振動温度、ラジカル密度等による効果を分離して評価することが可能となることが考えられるため、プラズマ触媒反応の診断法として、本手法は高い価値があると考えられる。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Presentation] プラズマ触媒反応を用いたメタン改質における触媒表面化学種解析 (2021)
  • Author(s): 亀島晟吾、野崎智洋、佐々木浩一
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Mechanism of reaction enhancement of unexcited molecules in mlasma catalytic dry methane reforming (2019)
  • Author(s): Seigo Kameshima, Zunrong Sheng, Tomohiro Nozaki
  • Organizer: XXXIV ICPIG & ICRP-10
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] Google Scholar
  • URL: https://scholar.google.co.jp/citations?user=wUK4KBQAAAAJ&hl=ja
• [Remarks] ORCID
  • URL: https://orcid.org/0000-0001-5431-8944