2020 Fiscal Year Research-status Report
Ammonia synthesis using low and high electron temperature coexisting plasma with spiral magnetic field
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20K20909
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
大野 哲靖 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60203890)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 単純トーラス型プラズマ装置 / 螺旋状プラズマ / 高密度水素・窒素混合プラズマ / アンモニア合成 / 水素原子 / 窒素原子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，単純トーラス型プラズマ装置を用いて，長い磁力線長有する螺旋状プラズマを生成し，近接領域に異なった電子温度（高温，低温）領域が存在するこれまでにないプラズマ反応場を形成する。放電ガスとしては水素，窒素の混合ガスを用いて，高電子領域（５eV以上）での水素分子の解離過程と低電子温度（1eV以下）での窒素分子イオンの解離性再結合過程を共存させることにより，高密度の水素原子・窒素原子を生成し，高効率なアンモニア合成を行うことを目的としている。
装置上部に水素，窒素ガスを導入し，改良したジュール加熱型六ホウ化ランタン(LaB6)陰極と新たに設置した上下に駆動稼働なモリブデン製陽極間で直流放電を行うことにより，高密度の窒素プラズマを真空容器上部に生成した。窒素分子の三重結合は極めて安定であるために，窒素に関しては窒素分子イオン（N2+）が主に生成される。矩形断面を持つ円筒形状の真空容器にトロイダル方向と垂直２方向の磁場を印加し，装置上部から下部に向かう螺旋状の磁力線を生成する。生成されたプラズマは磁力線に沿って，装置上部から下部へ輸送され，長い磁力線長を持つ螺旋状プラズマが生成された。真空容器上部生成された高密度プラズマが螺旋状磁場に沿って輸送されるにつれて低電子温度（1 eV以下）となり，最終的には，窒素分子イオンの解離性再結合（N2++e→N＋N）により，高密度の窒素原子を生成されることを，真空紫外吸収分光で確認した。
高密度の水素・窒素混合プラズマを生成するために，2系統のガス導入系（マスフローコントローラー）を整備の整備を行った。本研究では，生成された水素原子，窒素原子を用いて，二重促進鉄(Fe3O4に数重量％のAl2O3とK2Oを含む) 触媒表面上でアンモニアを合成する。触媒の温度を制御するために，触媒背面に赤外線ヒーターの設置を行った。
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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
コロナウィルス感染症対策のために，研究協力者の実験実施時間が制約されたため，高密度水素・窒素混合プラズマ生成実験に遅延があるが，実験の準備は全て完了し，プラズマ生成に関する初期的な結果は得られており，研究は概ね順調に進展していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
(a)窒素ガスと水素ガスの流量比を制御することにより，窒素ガスと水素ガス混合比とアンモニア生成量との関係を明らかにする。
(b)1周目の高電子温度プラズマと2周目の低電子温度プラズマ間の距離は垂直磁場とポロイダル磁場の強度比を変化し，磁力線のピッチ角を変えることにより制御することができる。1周目の高電子温度プラズマと2周目の低電子温度プラズマ間の距離を変化させたときのプラズマ分布を2次元駆動掃引プローブ計測システムで計測するとともに，アンモニア生成量との相関を実験的に明らかにする。
(c)ヒータを用いて鉄触媒の温度を変化させることにより，鉄触媒の温度とアンモニア生成量との関係を明らかにする。
(a)-(c)の実験を系統的に行うことにより，窒素ガスと水素ガス混合比，高電子温度プラズマと低電子温度プラズマ間の距離，鉄触媒の温度のパラメータ空間でアンモニア生成効率の最適化を行う。
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| Causes of Carryover |
高密度水素・窒素プラズマ生成実験の遅延にともない，関連する消耗品費（分光用の光学部品，陰極材料，真空保守部品）と触媒用加熱装置（設置用の治具）の予算執行を次年度に変更をしたため。
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Research Products
(4 results)
