2020 Fiscal Year Annual Research Report

Ammonia synthesis by pressure swing in plasma reactor

Research Project

Project/Area Number	20H01891
Research Institution	Tokyo Institute of Technology
Principal Investigator	森伸介東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (80345389)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	アンモニア合成 / 非熱プラズマ / 圧力スイング / 圧力スイング反応器 / パルス放電 / 沿面放電 / 放電同期 / 非定常操作
Outline of Annual Research Achievements	まず本年度は、圧力スイングと放電の同期にガスの吸排気の同期を追加し、合成効率の向上を目指した。まず予備実験で用いた既存の反応器を大幅に改良し、リークを抑えるとともに電磁バルブを設置し、圧力スイングと放電、ガス吸排気の同期を行える反応器を新たに作製した。圧力スイングと放電の同期は圧力スイング中に放電を行う区間を変化させて行った。予備実験と同様に圧力スイングと放電の同期によって合成効率の向上が確認された。次に圧力スイングとは同期せずに放電をパルス化させた実験を行った。パルス化の周期と一回の放電時間を変化させて合成効率の変化を調査した。圧力スイング条件下でパルスが低周波数で放電時間が短いほど高い合成効率を示したことから、合成されたアンモニアを放電がオフのときに反応器から排気することの重要性が示唆された。そこで反応器に入り口と出口に設置した電磁バルブを操作することで排気を促進しながらアンモニアを合成した。圧力スイングは行わず、放電と電磁バルブの同期のみを行い、放電をオンにしてアンモニアを合成すること、放電をオフにして排気促すことを連続的に繰り返す実験を行った。0.2barで排気を行う場合と、0.5barで排気を行う場合とでは0.2barで排気を行うことで合成効率が向上し、合成されたアンモニアが分解される前に排気をすることの重要性が確認された。以上の結果から圧力スイングによって合成したアンモニアを電極表面から脱離させ、パルス化を行い放電オフの時に排気を行うことが合成効率の向上につながったということが明らかになった。そして反応器の改良により、圧力スイングと放電とガス吸排気のタイミングを意図するように制御できるようになったため、パラメーターの最適化および触媒の利用によってはさらなる合成効率の向上が期待される。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 圧力スイングと吸排気タイミングおよび放電の同期を行うことで、触媒を積極的に利用していない現状において、既に高いアンモニア合成効率を得ることに成功しており、今年度以降の触媒の最適化によって、更なる性能向上が期待できる。
Strategy for Future Research Activity	圧力スイングと吸排気タイミングおよび放電の同期を行うことで、触媒を積極的に利用していない現状において、既に高いアンモニア合成効率を得ることに成功した。触媒をプラズマ合成に重畳することでアンモニア合成効率が上昇したという報告は非常に多くの例があり、本研究でも合成効率の上昇が期待できる。そこで、圧縮上死点時の最少反応器体積部に多孔質担体に担持させたアンモニア合成触媒を配置することで、アンモニア合成効率の向上を図る。本研究では特に、窒素分子の解離に有利に働く鉄系の触媒とアンモニア合成に有利に働く白金族系の触媒とを比較し、更にはプラズマ点火時期と圧縮サイクルとのシンクロを取ることで、本プロセスに特有の効果的な触媒を選定する。また、低温で合成を行う場合には、触媒上に吸着したアンモニアの脱離過程が律速となるという報告があるが、減圧行程時にアンモニアの脱離が促進されることが期待できるため、アンモニアの脱離が律速となるような触媒も本研究では性能が向上することが期待できるため検討を行う予定である。更には、触媒の担体としてアルミナを用いることで合成効率が向上することが報告されている。これは、プラズマの作用で解離した窒素原子がアルミナに補足され長寿命となりアンモニア合成効率が向上するためとされている。本研究でも、減圧時に解離し生成した窒素原子が高圧圧縮時まで残存することでアンモニア合成効率が上昇することが期待できるので、触媒担体の効果についても検証を行う。