2020 Fiscal Year Annual Research Report
励起ガス相／水相の相界面反応場を形成する励起ガス成分組成と反応速度の解明
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18H02015
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
春山 哲也 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 教授 (30251656)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村上 直也 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (10452822)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 相界面反応 / 気液界面 / 放電 / アンモニア / 窒素固定 / 無触媒 / 元素循環 / 循環可能化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低エネルギーかつ小中規模で発停容易のアンモニア製造技術の確立は、需要地生産可能な中小規模でのアンモニア生産を可能にする。その実現は、低製造エネルギー消費・低二酸化炭素排出に繋がり、また需要地生産は、ノンロジテックによる無運搬エネルギー消費・無運搬二酸化炭素排出をも実現し得る。そのためには、製造原料から異なる大きなゲームチェンジが必要である。
我々は、水素ガスを必要とせず、空気（窒素）と水だけを直接原料とし、窒素（気相）と水（水相）から成る異相界面を反応場として、常温・常圧の一段階反応で窒素固定（アンモニア合成）を行う「相界面反応」を独自に見出した。相界面反応は、水による気体の無触媒還元反応であるということができる。これは、水相表面に存在する特異な水分子の状態に着目したことによって想を得た反応である。水相表面（気液界面）には、水素結合を形成していない水分子が存在する。
この水相最表面の水分子のHを、放電により活性化（励起と解離がある）された活性化窒素が引き抜き還元され、アンモニアが生成され水中に溶存する。この反応は、水相と気相において、それぞれにアンモニア生成に寄与する活性種を多く存在させる必要がある。前年度までに、我々が新たに構築した窒素プラズマを誘電体バリア放電（Dielectric Barrier Discharge, DBD）が、効率よく窒素を活性化できていると示唆されている。
令和元年度から令和二年度に掛けて、充填誘電体の誘電率と、窒素活性種の種類および量の関係、加えて相界面反応の生成物との関係を解析した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
前々年度に構築した誘電体バリア放電（Dielectric Barrier Discharge, DBD）を、より条件検討と解析が行いやすい「誘電体粒子充填バリア放電」へと発展させ、生成する原子状窒素を深紫外分光法で定量することで、放電場内の誘電体誘電率と生成する活性種の関係を見出し、また併せて分子状励起窒素の定量にもキャビティリングダウン分光（ＣＲＤＳ）を構築することで成功した。その結果から、誘電体誘電率が高い程、原子状窒素の生成比率が高なり、その活性化窒素気相で相界面反応を行なうと、アンモニア生成選択性が高められることが明らかになった。
また、誘電体粒子充填放電は、エネルギー的にも有利であって、放電電圧を低く保ったままで、窒素活性種生成量を増大できることも見出した。
加えて、反応速度の違いおよび化学平衡により、生成物のスイッチ（切り替え）あるいは選択性向上が出来ることを見出し、その一部を令和２年度に論文化している。この発見は、本報をプロセス技術化する場合の重要なキーとなると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
相界面反応は、反応系の構築において励起系（放電系）と反応系（相界面反応場）のそれぞれの構築と、それぞれの幾何学的な位置的・量的関係で、反応の機序も効率も大きく変わるところに特徴がある。令和２年度終りから放電器・反応器の一体的設計を開始しており、それと並進しながら、「気相中の窒素活性種」・「水相に生成する水由来活性種」・「相界面反応生成物の量」・「放電の消費電力」をそれぞれ精密に定量比較し、反応収率の最大化を目指した研究を推進する。
また、副生成物を分けて精製出来得ることが見えてきたので、その反応スイッチ（切り換え）および生成物単一化の反応制御の検討をさらに併せて行なう。
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