Non-equilibrium CO2 reduction by plasma catalysis: fast synthesis of methanol
| Project/Area Number |
21K18615
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2023-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
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| Keywords | プラズマ化学 / プラズマ触媒 / カーボンリサイクル / 炭素循環 / カーボンニュートラル / 二酸化炭素 / メタノール / メタン / 触媒反応 |
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| Outline of Research at the Start |
本提案では，プラズマを使って振動励起CO2に着目し，これを触媒に作用させることで常温でメタノールを高速合成する非熱的触媒反応を開拓する。実験では，メタノール合成で多用されるCu/ZnO触媒を用いる。CO2を振動励起させるために，オゾン合成法で実績が豊富な誘電体バリア放電を用いてプラズマ触媒反応器を構築し，Eley-Rideal機構に基づく常温メタノール合成を実証する。次年度の研究では，CO2振動励起の高効率化にも焦点をあて，高周波プラズマを適用してCO2からメタノール直接合成を高度化する。プラズマが作用している触媒反応を直接観察するoperando赤外吸収分光分析により反応機構を解明する。
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| Outline of Final Research Achievements |
Vibrational excited CO2 using nonthermal plasma was found to accelerate the formation of carbonate or formate on the catalyst. In order to convert the intermediate species to methanol, we developed a Ni alloy catalysts (NiM/Al2O3: M = Zn, Ga, In) that can be alloyed with various elements to convert CO2 into methanol while maintaining the high activity of Ni for CO2 conversion. We screened highly active alloy catalysts for high-speed synthesis of methanol. In NiGa, not only low-temperature activation for CO2 conversion rate but also methanol selectivity was successfully increased at low temperature by nonthermal plasma application where methanol selectivity reached about 30%. It was demonstrated that plasma not only enhances reaction activity but also controls reaction selectivity.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
化学反応プロセスの多くは熱エネルギーの大量消費のうえに成り立っており，革新的な省エネルギー，環境負荷低減を実現するうえで大きな改善が要求されている。本研究では，プラズマによって振動励起されたCO2が水素化される触媒反応を実現し，CO2からメタノール（CH3OH）を高速合成するプラズマ触媒反応の基盤となる合金触媒の開発に成功した。この技術を用いることにより，再生可能エネルギーを用いた電子駆動触媒反応制御が可能となり，熱エネルギー利用から脱却したCO2利用技術および低炭素社会の早期実現に貢献することができる。
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Report
(3 results)
Research Products
(65 results)
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[Journal Article] Cooperative Catalysis of Vibrationally Excited CO2 and Alloy Catalyst Breaks the Thermodynamic Equilibrium Limitation2022
Author(s)
Dae-Yeong Kim, Hyungwon Ham, Xiaozhong Chen, Shuai Liu, Haoran Xu, Bang Lu, Shinya Furukawa, Hyun-Ha Kim, Satoru Takakusagi, Koichi Sasaki, and Tomohiro Nozak
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Journal Title
J. Am. Chem. Soc.
Volume: 144
Issue: 31
Pages: 14140-14149
DOI
Related Report
Peer Reviewed
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[Journal Article] Interim report of plasma catalysis: Footprints in the past and blueprints for the future2021
Author(s)
H.H. Kim, Ayman A.Abdelaziz, Y. Teramoto, T. Nozaki, K. Hensel, Y.S. Mok, S. Saud, D.B. Nguyen, D. H. Lee, W.S. Kang
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Journal Title
International Journal of Plasma Environmental Science and Technology
Volume: 15
Issue: 01
Pages: e01004-e01004
DOI
ISSN
1881-8692, 2435-0125
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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