熱輻射定在波によるプラズモン誘起電荷分離を用いたメタン改質水素生成反応促進

• 研究課題/領域番号: 21K18864
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分28:ナノマイクロ科学およびその関連分野
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 湯上 浩雄 東北大学, 工学研究科, 教授 (60192803)
• 研究分担者: 清水 信 東北大学, 工学研究科, 准教授 (60706836)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2023年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2021年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: メタン改質 / 共振器 / プラズモン誘起電荷分離 / 水素生成 / 輻射共振器

研究開始時の研究の概要

現在、大量に利用可能、安価、かつ製造過程でCO2排出増に繋がらない水素調達が必要とされており、従来のメタン改質プロセス低温化が課題である。我々は微小共振器構造を用いたメタン改質促進効果を確認してきたが詳細メカニズムについては明らかになっていなかった。本研究では熱輻射定在波によるプラズモン誘起電荷分離に起因する光化学反応モデルを提案し、これの実証を目的とする。近赤外応答局在プラズモン共鳴等の現象を併せて利用することでメタン原料を出発点としながら太陽光の全波長を高効率に用いた熱・光化学両反応に基づくクリーンな水素生成プロセスの創出が期待され、CO2原料化に大きく貢献できる可能性があると考えている。

研究実績の概要

本研究はメタンを水素源として利用したＣ１化学による化成品生産基盤確立によるCO2原料利用化学プロセスの早急な構築を目指し、現状８００℃～１０００℃の高温反応プロセスが必要なメタンからの水素生成において、プロセス低温化を実現し得る反応促進技術に関するものである。これまでにメタン分子の振動準位に相当する波長において、波長と同程度の微小共振器構造を有するエミッタを用い波長選択的に熱ふく射を照射することで熱力学的平衡を超える改質反応促進効果を報告してきた。本研究ではこの反応促進メカニズムの詳細を解明し、反応プロセス低温化の促進および技術の確立を目指す。
これまでの我々の研究で確認されているメタン改質水素生成反応における化学反応促進メカニズムにおいては、メタン分子の量子共鳴励起効果に加えて、微小共振器構造におけるプラズモン誘起電荷分離が寄与している可能性があると考えている。このプラズモン誘起電荷移動に基づくと考えられるメタン改質反応促進効果を実験的に明らかにするとともに、反応促進のためのエミッタ微細構造の概念設計を行い、これまで以上の反応促進効果を達成する。具体的な研究の実施方法としては、プラズモン誘起電荷分離に関するパラメータを制御可能なエミッタの設計および作製を行い、既存のメタン改質実験装置を用いて、それらパラメータと水素転化率の相関を評価する。
本年度は微小共振器構造を加熱し、それに対して外部からの赤外光を照射した場合の反応促進効果を検証した。その結果、メタンの共振波長に該当する共振モードを有する微小共振器構造を持つ場合において赤外光照射した場合に反応促進効果が見られた。これは外部から入射した赤外光が共振器の共振モードを励起し、それによって生じる局在電場が反応促進に寄与している可能性を示した結果と考えられる。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

昨年度までにメタン改質実験装置の信頼性評価のため、同種のエミッタを用いた改質反応実験を複数回実施し、各エミッタによって水素転化率に変化があることを確認し、さらに転化率の再現性も確認することができた。この実験系を用いて本年度は微小共振器構造を加熱し、それに対して外部からの赤外光を照射した場合の反応促進効果を検証した。その結果、メタンの共振波長に該当する共振モードを有する微小共振器構造を持つ場合において赤外光照射した場合に反応促進効果が見られた。これは外部から入射した赤外光が共振器の共振モードを励起し、それによって生じる局在電場が反応促進に寄与している可能性が示された。当初想定していたように共振モードの励起が反応促進に寄与している結果が見られ、反応メカニズムの解明に向けた重要な知見を得ることができており、研究はおおむね当初の予定通り進捗していると判断できる。

今後の研究の推進方策

プラズモン誘起電荷移動に関するパラメータを制御可能な微小共振器構造を有するエミッタの設計を行い、実際に作製を行っている。このエミッタを用い、改質反応実験を行い、水素転化率との相関を評価することで反応促進メカニズムの物理的モデルの構築が可能になると考えている。また、その結果を基に、更なる反応促進が可能なエミッタの設計および作製を行い、反応プロセス低温化の促進および技術の確立を目指す