• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

グラフェン電子源を用いたホットエレクトロン注入による炭化水素燃料分解と水素製造

研究課題

研究課題/領域番号 22K18800
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分21:電気電子工学およびその関連分野
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

村上 勝久  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (20403123)

研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
キーワードグラフェン / 六方晶窒化ホウ素 / 電子放出 / 水素発生 / ホットレクトロン誘起化学反応
研究開始時の研究の概要

大気中・液体中で動作可能なグラフェン電子源を用いて、分子との非弾性散乱の効果が高い10eV帯のホットレクトロンを高電流密度で室温常圧の液体材料やガス材料に直接注入した際の分子の分解・活性化・反応機構を解明し、電子の能動制御による革新的な化学反応システムを構築する。更に、提案する化学反応システムを用いて、エタノールなど炭化水素材料を原料とした二酸化炭素排出フリー水素発生機構を解明することを目的としている。

研究実績の概要

本年度は原子層堆積装置を用いて成膜したアルミナのグラフェン電子源用酸素耐性保護膜としての特性評価を行った。アルミナ保護膜成膜条件を最適化することで、アルミナ膜厚3nmで酸素プラズマ耐性のあるアルミナ保護膜を成膜することに成功した。保護膜付きのグラフェン電子源の電子放出特性を評価し、電子放出効率0.47%、放出電流密度1mA/cm2を達成し、実用レベルの電子放出効率と放出電流密度を達成した。さらに放出電子のエネルギー分析から、放出電子はグラフェンの仕事関数より高いエネルギーを保っており、保護膜中での電子のエネルギー損失は少なく、保護膜による電子放出効率の低下は保護膜での弾性散乱が要因であることを明らかにし、更なる保護膜層の膜厚薄膜化により電子放出特性の向上が可能であることが分かった。
液中電子線照射装置の開発については、今年度新たに真空隔壁プロセスを開発し、電子透過窓の有効面積を昨年度から24倍に拡大し、液中への電子線注入量を昨年度の80nAから1.3uAまで向上することに成功した。更に、エタノール中への電子線の安定注入を実現し、エタノールへの電子線注入により水素が発生することを明らかにした。その際に二酸化炭素等の炭素を含む副生ガスは発生しておらず、炭化水素燃料であるエタノールから二酸化炭素排出フリーで水素を発生できることを実証した。水素発生量の定量分析から水素発生効率を試算すると、1電子あたり複数個の水素分子が発生していることが分かり、電子線注入による水素発生は、従来の電気化学反応とは異なるメカニズムである可能性を示した。

現在までの達成度 (区分)
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

グラフェン電子源のエタノール中での安定動作のために、酸素耐性と放出電流密度を両立可能なアルミナ保護膜の成膜プロセスを確立した。さらに液中電子線注入装置によるエタノール中への電子線注入により二酸化炭素排出フリーで水素を発生可能であることを明らかにし、研究は順調に進展している。

今後の研究の推進方策

これまでの研究で、電子線注入により炭化水素燃料を分解し二酸化炭素排出フリーで水素発生が可能であることを明らかにした。また、エタノール中でのグラフェン電子源の安定動作の課題であった、デバイスの酸素耐性を高める保護膜も開発できた。来年度は、保護膜付きグラフェン電子源によるエタノール分解水素発生について調査する。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (27件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 4件、 招待講演 4件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Protective Layer Process of Graphene-Oxide-Semiconductor Electron Emission Devices for Low Earth Orbit Applications2023

    • 著者名/発表者名
      Mutsukawa Ren、Matsumoto Naoyuki、Takao Yoshinori、Murata Hiromasa、Nagao Masayoshi、Murakami Katsuhisa
    • 雑誌名

      2023 30th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV)

      巻: - ページ: 560-562

    • DOI

      10.23919/isdeiv55268.2023.10200560

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 酸化環境に対する平面型グラフェン電子源の保護手法と電子放出特性に及ぼす影響2023

    • 著者名/発表者名
      六川蓮、鷹尾祥典、長尾昌善、村田博雅、村上勝久
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 123 ページ: 39-42

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Low-Temperature Direct Synthesis of Multilayered h-BN without Catalysts by Inductively Coupled Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition2023

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Masaya、Murata Hiromasa、Miyata Noriyuki、Takashima Hiroshi、Nagao Masayoshi、Mimura Hidenori、Neo Yoichiro、Murakami Katsuhisa
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 8 号: 6 ページ: 5497-5505

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c06757

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Oxidation Resistance Improvement of Graphene-Oxide-Semiconductor Planar-Type Electron Sources Using h-BN as an Oxygen-Resistant, Electron-Transmissive Coating2022

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Naoyuki、Takao Yoshinori、Nagao Masayoshi、Murakami Katsuhisa
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 7 号: 37 ページ: 33004-33009

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c02709

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] h-BNのSi基板上低温成膜技術の開発とgraphene/h-BN/Si積層型平面電子放出デバイスへの応用2022

    • 著者名/発表者名
      山本将也、村田博雅、長尾昌善、三村秀典、根尾陽一郎、村上勝久
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 122 ページ: 37-38

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 液中動作用グラフェン平面電子源の開発2022

    • 著者名/発表者名
      村上勝久、村田博雅、長尾昌善
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 122 ページ: 35-36

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] GIS構造電子源におけるグラフェンの電子透過のシミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      若家冨士男、寺門大地、河嶋祥吾、阿保智、長尾昌善、村上勝久
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 122 ページ: 29-30

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] ナノ結晶シリコンを用いた平面型電子源からの電子放出特性2022

    • 著者名/発表者名
      嶋脇秀隆、村田博雅、長尾昌善、村上勝久
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 122 ページ: 59-61

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Graphene-oxide-semiconductor構造を有する平面型電子源における耐酸素薄膜の効果2024

    • 著者名/発表者名
      六川蓮、鷹尾祥典、長尾昌善、村田博雅、村上勝久
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 平面型グラフェン電子源の地球低軌道利用に向けた保護膜作製とその評価2023

    • 著者名/発表者名
      六川蓮、鷹尾祥典、長尾昌善、村田博雅、村上勝久
    • 学会等名
      第67回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 平面型グラフェン電子源への耐酸素保護膜の作製と電子放出特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      六川蓮、鷹尾祥典、長尾昌善、村田博雅、村上勝久
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] FABRICATION OF PROTECTIVE COATING ON GRAPHENE-OXIDE-SEMICONDUCTOR ELECTRON SOURCES FOR IMPROVING OXYGEN RESISTANCE AND EVALUATION OF EMISSION CHARACTERISTICS2023

    • 著者名/発表者名
      Mutsukawa Ren、Takao Yoshinori、Murata Hiromasa、Nagao Masayoshi、Murakami Katsuhisa
    • 学会等名
      The 14th International Vacuum Electron Sources Conference
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Protective layer process of graphene-oxide-semiconductor electron emission devices for low earth orbit applications2023

    • 著者名/発表者名
      Mutsukawa Ren、Matsumoto Naoyuki、Takao Yoshinori、Murata Hiromasa、Nagao Masayoshi、Murakami Katsuhisa
    • 学会等名
      30th International symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 酸化環境に対する平面型グラフェン電子源の保護手法と電子放出特性に及ぼす影響2023

    • 著者名/発表者名
      六川蓮、鷹尾祥典、長尾昌善、村田博雅、村上勝久
    • 学会等名
      電子情報通信学会 電子デバイス研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Si基板上h-BN直接成膜技術とGraphene/h-BN構造を利用した平面型電子源の開発2023

    • 著者名/発表者名
      山本将也、村田博雅、長尾昌善、三村秀典、根尾陽一郎、村上勝久
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Graphene/h-BN構造を用いた転写フリー平面型電子源の開発2023

    • 著者名/発表者名
      山本将也、村田博雅、長尾昌善、三村秀典、根尾陽一郎、村上勝久
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Recent progress of planar type electron sources using 2D materials2022

    • 著者名/発表者名
      Katsuhisa Murakami
    • 学会等名
      The 22nd International Vacuum Congress
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Si基板上h-BN直接成膜技術とgraphene/h-BN/Si積層型平面電子源の開発2022

    • 著者名/発表者名
      山本将也、村田博雅、長尾昌善、三村秀典、根尾陽一郎、村上勝久
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] グラフェン平面電子源のエタノール中動作による水素発生2022

    • 著者名/発表者名
      村上勝久、村田博雅、長尾昌善
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Development of direct synthesis of h-BN on Si substrate and planar type electron emission device using graphene/h-BN/Si heterostructure2022

    • 著者名/発表者名
      Masaya Yamamoto, Hiromasa Murata, Masayoshi Nagao, Hidenori Mimura, Yoichiro Neo, Katsuhisa Murakami
    • 学会等名
      35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ナノ結晶シリコンを用いた平面型電子放出素子の低真空下での動作2022

    • 著者名/発表者名
      嶋脇秀隆、長尾昌善、村上勝久
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] GIS構造電子源におけるグラフェンの電子透過のシミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      若家冨士男、寺門大地、河嶋祥吾、阿保智、長尾昌善、村上勝久
    • 学会等名
      電子デバイス研究会 電子・イオンビーム応用
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 液中動作用グラフェン平面電子源の開発2022

    • 著者名/発表者名
      村上勝久、村田博雅、長尾昌善
    • 学会等名
      電子デバイス研究会 電子・イオンビーム応用
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] h-BNのSi基板上低温成膜技術の開発とgraphene/h-BN/Si積層型平面電子放出デバイスへの応用2022

    • 著者名/発表者名
      山本将也、村田博雅、長尾昌善、三村秀典、根尾陽一郎、村上勝久
    • 学会等名
      電子デバイス研究会 電子・イオンビーム応用
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 原子層物質積層構造を用いた平面型電子放出デバイスの開発2022

    • 著者名/発表者名
      村上勝久
    • 学会等名
      応用物理学会ナノ荷電粒子ビーム産学連携委員会 2022年(令和4年)第2回研究会(招待講演)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ナノ結晶シリコンを用いた平面型電子源からの電子放出特性2022

    • 著者名/発表者名
      嶋脇秀隆、村田博雅、長尾昌善、村上勝久
    • 学会等名
      電子デバイス研究会 電子・イオンビーム応用
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] デバイス技術研究部門カスタムデバイスグループ

    • URL

      https://unit.aist.go.jp/d-tech/ja/teams/06_cdg/ja/index.html

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-07-05   更新日: 2024-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi