2018 Fiscal Year Annual Research Report
アンモニアの常温常圧合成のための高効率プラズマ触媒反応法の開発
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17H03460
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
岩本 正和 早稲田大学, 理工学術院, 客員上級研究員(研究院客員教授) (10108342)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | アンモニア / プラズマ / 再生可能エネルギー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度の研究で以下の点が明らかになった。
①プラズマ励起用のパルス電源波形として正弦波、ランダム波、パルス波、減衰正弦波を用いてアンモニア合成活性を試験した。合成活性は、減衰正弦波に固体触媒を組み合わせた場合に最大になった。減衰正弦波単独（触媒なし）では合成活性が低かったので、触媒使用時には通常とは異なる励起波形が適していることが明らかになた。
②アンモニア合成の活性中間体と考えている窒素分子励起種N2*の発光強度とアンモニア合成活性の関連を測定し、両者が比例していることを見出した。これまでN2*がアンモニア合成中間体となっていると想定していたが、実測により裏付けることができた。ただし、N2*が触媒表面上でどのように活性化されているかについては究明できていない。
③プラズマ発生場に種々の酸化物固体を充填し、アンモニア合成活性を測定した。種々の酸化物、特にアルミナや酸化カルシウム、酸化チタンを充填すると気相反応単独系よりも活性が大幅に向上することを見出した。当初、触媒活性を決定しているのは酸化物の比誘電率かもしれないと考えて触媒探索を行ったが、比誘電率はほぼ無関係であることがわかった。今後さらに触媒活性決定因子を検討したい。
④上記③の反応系では、効率的なアンモニア合成のためにプラズマ発生用電圧を上げる必要があった。この場合、使用電流量が非充填の場合に比べて小さくなったので、電圧は高くなるものの、使用電力量は低減できることが明らかとなった。上記①の励起波形との組み合わせを精査すれば、アンモニアの常温常圧合成をさらに効率よく実施できる可能性がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
窒素のプラズマ励起＋固体触媒の組み合わせに最適なプラズマ励起波形を決定することができた。この波形を用いたときのアンモニア合成効率は、通常波形利用時の2倍以上に達した。また、これまでの報告では同反応にアルミナ系、Ru担持アルミナ系が触媒として優れているとされていたが、今年度の研究により、酸化カルシウムや酸化チタンが高い触媒活性を示すことを明らかにできた。これらは従来の知見からは想定できない新しい知見である。これらの点を基礎に来年度さらに発展させたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30度までの研究成果をさらに発展させ。従来のチャンピオンデータである細線状Pt電極触媒あるいはRu担持アルミナ系触媒の結果を上回るアンモニア合成能の実現を目指す。具体的には、以下の検討を行う。
①種々の金属酸化物のアンモニア合成活性を調べ、触媒能と酸化物物性の関連を検討する。活性制御因子となっている因子を究明できた場合は最適値を有する酸化物の探索を行う。
②酸化物＋担持金属の組み合わせを検討する。この場合、上記第1項で高い活性を示した酸化物ばかりでなく、低活性だったものについても検討を行う。これは、酸化物＋金属の組み合わせによって種々の物性値が変化し、触媒活性が向上する可能性を見逃さないためである。
③従来のPt触媒系よりも活性な酸化物＋金属系触媒を発見できた場合は、分圧依存性、滞留時間依存性等を系統的に検討し、速度論的な議論を行う。さらに、それらの結果を従来型ハーバーボッシュ法触媒、あるいは最近盛んに研究されている低温定圧型Ru系触媒の結果と比較し、アンモニア合成法としての優劣を議論する。
④金属電極触媒あるいは酸化物充填系でのアンモニア合成機構は全く不明であるので、反応機構を検討する。本来であれば窒素分子の同位体あるいは水素分子の同位体を用いて、それぞれの原料が分子状あるいは原子状のいずれで反応しているか、律速段階はどの素反応にあるかを究明する必要があるが、時間的制約さらには流通反応系に直結した質量分析器を保有していないので、実験的な検討ではなく、DFT計算による量子化学的検討を行う。
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Research Products
(9 results)
