2021 Fiscal Year Annual Research Report
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20H00135
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
佐々木 浩一 北海道大学, 工学研究院, 教授 (50235248)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
白井 直機 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80552281)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | プラズマ・液体相互作用 / 界面近傍の液相 / 短寿命活性種 / 水ジェット / レーザー誘起脱溶媒和 / ルミノール化学発光 / 表面張力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低ガス圧誘導結合プラズマに水ジェットを入射する実験では，ヘリウムプラズマにおいて水素と酸素の生成を観察した。これらの分子の生成が気相の水蒸気を起源とするものか水ジェット表面を起源とするものかを判別するため，水蒸気を外部から供給する場合との比較実験を行った。また，水の代わりに硝酸銀水溶液を用いた比較実験を行った。これらの結果として，水素と酸素の生成は水ジェット表面での電解反応によるものであることがわかった。
ルミノールの化学ルミネッセンスによる水中の短寿命活性種の検出では，ルミノールの反応に関する既知の事項を整理し，レート方程式モデルを構築した。レート方程式を解くことにより，ルミノールの化学ルミネッセンスによって生じる光子の放射計数を計算した。化学ルミネッセンスの放射係数を実験によって実測し，計算結果と比較することにより，水中のOHラジカル密度の絶対値が推定可能であることを示した。
レーザー誘起脱水和の実験では，実験結果を水中における自由電子の輸送過程に関するモンテカルロシミュレーションの結果と比較することにより，水面を陰極とする直流放電において生じる水和電子の深さ方向分布を推定した。また，低ガス圧誘導結合プラズマに入射した水ジェットにNd:YAGレーザーの4倍高調波を照射すると水ジェットに電流が生じることを見いだし，水に電子を輸送する系においてレーザー誘起脱水和により水和電子を検出する実験に目処を得た。
プラズマと相互作用する水の表面張力に関しては，水面を陰極とする直流放電において水面から液滴が放出される現象を水の表面張力と関係づける研究を行った。温度変化，pH変化，および，界面活性剤添加などのいくつかの方法で水の表面張力を調整し，液滴放出の特性を表面張力の関数として整理した。
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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
上に述べたように，令和3年度においては，研究計画調書に記載した研究計画をほぼ順調に実施した。水和電子の実験において計画していたポンプ・プローブ法による気液界面直下における水和電子の寿命計測は実施に至らなかったが，研究計画調書にない実験として，低ガス圧プラズマに入射した水ジェットにおけるレーザー誘起脱水和の実験を実施した。水ジェットを使った実験は当初の予定以上の進度で進行し，当初計画では予測していなかった成果も得られている。以上のことから，本計画は総合的にみておおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ルミノールの化学ルミネッセンスに関しては，液相化学反応のモデルの精密化を目指し，当該分野の専門家との共同研究を模索する。これにより，液相に存在するOHの絶対密度測定の精度を高めることができると考えられる。
水和電子のレーザー誘起脱溶媒和に関しては，令和3年度に積み残した，CTTS遷移とレーザー誘起脱水和を組み合わせたポンプ・プローブ法による水和電子の寿命計測を実施する。また，当初計画にはない実験として，2020年度に開発した水ジェット装置を用い，電子が水に輸送された場合にプラズマ・液相界面に存在する水和電子をレーザー誘起脱水和によって検出し，その深さ方向分布に関する知見を得る。
プラズマと相互作用する水ジェット表面での反応に関する研究では，電気的に浮遊状態の水ジェットの界面において酸化反応と還元反応が同時に生じ，水素と酸素が生成されることを見いだすと同時に，プラズマ中に導入した酸素分子と水素分子が従来の枠組みでは理解できない増減を示すことが見いだされているので，令和4年度はこの現象を中心に研究する。また，応用として，水の電解方式として優位性，および，窒素プラズマと水の相互作用のアンモニア生成方式としての可能性についても検証する。
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