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溶融塩電解を用いた金属カルシウムの高効率製造・リサイクルプロセスの開発

研究課題

研究課題/領域番号 22K18880
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分26:材料工学およびその関連分野
研究機関東京大学

研究代表者

大内 隆成  東京大学, 生産技術研究所, 講師 (50555290)

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)
キーワードカルシウム / 製錬 / リサイクル / 溶融塩 / 電気化学
研究開始時の研究の概要

「高純度金属カルシウム(Ca)の高効率・低環境負荷・低コスト製造およびリサイクル」を可能とする技術革新を目指した研究を行う。歴史上、高純度の金属Caを高効率に得る方法は存在しない。金属Caの高い反応性と、溶融塩への高い溶解度から、電解還元反応の電流効率は非常に低く、さらに、真空蒸留による不純物除去工程が必要なため、製造工程におけるエネルギー効率が低いことが課題である。本研究では、研究代表者が過去に取り組んでいた、溶融塩と金属Ca合金を用いる二次電池開発で得た知見を活かし、「Caの溶融塩への溶解現象の制御」により「高純度Caを高効率に製造可能とする革新的プロセスの開発」を目指す。

研究実績の概要

高純度金属カルシウム(Ca)の高効率・低環境負荷・低コスト製造およびリサイクルを可能とする技術革新を目指した研究を行う。本研究が進展すると、先端デバイス、クリーンエネルギーデバイスなどに不可欠な希土類金属(レアアース)やチタンなどのレアメタルの製錬・精錬プロセス、およびリサイクルプロセスに革命を起こし、持続性と科学技術の発展が両立した社会の構築に大きく貢献する。高純度の金属Caを高効率に得る方法は存在しない。金属Caの高い反応性と、溶融塩への高い溶解度から、電解還元反応の電流効率は非常に低く、さらに、真空蒸留による不純物除去工程が必要なため、製造工程におけるエネルギー効率が低いことが課題である。本研究では、申請者が過去に取り組んでいた、溶融塩と金属Ca合金を用いる二次電池開発で得た知見を活かし、「Caの溶融塩への溶解現象の制御」により「高純度Caを高効率に製造可能とする革新的プロセスの開発」を目指す。
これまでの研究では、実験設備および特殊な電気化学セルの設計と作製を行った。さらに、既存の熱力学的データを用いて、Caを高純度化するための溶融塩の候補を選定し、候補となる溶融塩を用いて、Caの析出や溶出に関する電気化学的挙動を詳細に解析した。今後は本研究で提案する高純度化技術と組み合わせ、Caの高純度化と製造効率の向上を両立した新手法を実証していく。

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

高純度金属カルシウム(Ca)の高効率・低環境負荷・低コスト製造およびリサイクルを可能とする技術革新を目指した研究を行っている。
極めて反応性が高く、扱いの難しい金属Caおよびカルシウムハライド溶融塩を用いるプロセスを検証する実験のため、反応系の雰囲気制御(水分制御)を可能とする実験設備を作製した。また、カルシウム合金の作製のため、アーク溶解炉を導入した。
カルシウム合金と溶融塩界面での電気化学反応を詳細に検討可能な電気化学セルを構築し、これまでに複数種の混合溶融塩中での電気化学的挙動を調査し、その特性を比較した。さらに本研究で提案する新しい高純度化技術についてその耐久性や効率について検証を進めている。
研究の進捗は当初の予定通りであり、今後は、これまでに構築した実験系を用いた電気化学的評価に加え、カルシウム酸化物および金属Caの溶解度などの基礎的な物性を評価する。

今後の研究の推進方策

引き続き、Ca-Biなど様々な2元系合金、多元系合金について、これまでに確立した実験系を用いて電気化学的解析を進める。同時に、提案している分離膜を用いてCaのみを選択的に抽出・分離する革新的な手法について検討する。
候補として検討している溶融塩中へのカルシウム酸化物および金属Caの溶解度などの基礎的な物性を評価する。さらに、Ca電解析出反応ならびに合金中のCaの拡散速度など速度論的パラメータの評価に取り組む。以上を系統的に評価・比較することで、高効率な製造と高純度化を実現するプロセスの設計を目指す。

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

    (34件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (24件) (うち国際学会 14件、 招待講演 4件) 図書 (2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] No. 32 カルシウム(Calcium)2024

    • 著者名/発表者名
      Ouchi Takanari
    • 雑誌名

      まてりあ

      巻: 63 号: 1 ページ: 5-5

    • DOI

      10.2320/materia.63.5

    • ISSN
      1340-2625, 1884-5843
    • 年月日
      2024-01-01
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] チタン製錬とリサイクルの最近の進展2024

    • 著者名/発表者名
      竹田 修、大内 隆成、岡部 徹
    • 雑誌名

      チタン

      巻: 72 ページ: 58-69

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Direct Oxygen Removal from Titanium by Utilizing Vapor of Rare Earth Metals2023

    • 著者名/発表者名
      Ouchi Takanari、Akaishi Kenta、Kamimura Gen、Okabe Toru H.
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 64 号: 1 ページ: 61-70

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MLA2022022

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • 年月日
      2023-01-01
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Novel Concentration Process for Platinum Group Metals in Automotive Exhaust Catalyst Using Electroless Copper Plating, Sulfurization, and Flotation2023

    • 著者名/発表者名
      Kang Sukho、Ouchi Takanari、Okabe Toru H.
    • 雑誌名

      Metallurgical and Materials Transactions B

      巻: 55 号: 1 ページ: 32-52

    • DOI

      10.1007/s11663-023-02880-8

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Deoxidation of Titanium Using Rare Earth Metals as Deoxidation Agents in Molten Salt Electrolyte2023

    • 著者名/発表者名
      Takanari Ouchi、Toru H. Okabe
    • 雑誌名

      2022 SUSTAINABLE INDUSTRIAL PROCESSING SUMMIT AND EXHIBITION

      巻: 4 ページ: 49-60

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 第 15 回チタン世界会議参加報告; T4 Thermomechanical ProcessingおよびT7 Extraction-Casting-Powder Productionの聴講2023

    • 著者名/発表者名
      大内 隆成
    • 雑誌名

      チタン

      巻: 71 ページ: 70-73

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Deoxidation of Titanium Using Cerium–Chloride Flux for Upgrade Recycling of Titanium Scraps2022

    • 著者名/発表者名
      Kamimura Gen、Ouchi Takanari、Okabe Toru H.
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 63 号: 6 ページ: 893-902

    • DOI

      10.2320/matertrans.M-M2022805

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • 年月日
      2022-06-01
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Concentration of precious metals from ores or scraps using electrochemical anodic deposition in molten salt electrolyte2024

    • 著者名/発表者名
      Yuka Kujiraoka, Takanari Ouchi, Toru H. Okabe
    • 学会等名
      The 17th Workshop on Reactive Metal Processing (RMW17)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a new deoxidation method for titanium using the vapors of rare earth metals and yttrium chloride2024

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Yamazaki, Gen Kamimura, Takanari Ouchi, Toru H. Okabe
    • 学会等名
      The 17th Workshop on Reactive Metal Processing (RMW17)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Up-GradeRecycling of Titanium Using Molten Salts2023

    • 著者名/発表者名
      Toru H. Okabe, Takanari Ouchi
    • 学会等名
      ECS 243rd Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Deoxidation of Titanium and Its Alloy Using Rare-earth Metal Vapors2023

    • 著者名/発表者名
      Takanari Ouchi, Kenta Akaishi, Gen Kamimura, and Toru H. Okabe
    • 学会等名
      World Titanium Conference 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Up-grade recycling of titanium and its alloys2023

    • 著者名/発表者名
      Toru H. Okabe, and Takanari Ouchi
    • 学会等名
      Korea-Japan Joint Symposium on Titanium
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Recovery of Bi from base metal bullions using electrochemical anodic deposition method in molten salt electrolyte2023

    • 著者名/発表者名
      Takanari Ouchi, Chunhao Ding, Toru H. Okabe
    • 学会等名
      2023 Joint Symposium on Molten Salts
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Up-grade Recycling of Titanium and Its Alloys2023

    • 著者名/発表者名
      Toru H. Okabe, Takanari Ouchi
    • 学会等名
      TMS2024 153rd Annual Meeting & Exhibition
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 希土類ハライドの金属熱還元を利用したチタンの新規気相脱酸プロセスの熱力学的考察2023

    • 著者名/発表者名
      美馬 裕一, 大内 隆成, 岡部 徹
    • 学会等名
      資源・素材学会 関東支部 第20回「資源・素材・環境」技術と研究の交流会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 溶融塩電解法による金属カルシウム製造プロセスの高効率化に関する考察2023

    • 著者名/発表者名
      脇山 知也, 大内 隆成, 岡部 徹
    • 学会等名
      資源・素材学会 関東支部 第20回「資源・素材・環境」技術と研究の交流会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 貴金属・レアメタルの製錬・リサイクルプロセスの現状と将来2023

    • 著者名/発表者名
      大内 隆成
    • 学会等名
      プラネタリーヘルスに向けた物質利用の未来戦略と目標を皆で考えるセミナー/ワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 君はどんな課題に取組みたいのか?2023

    • 著者名/発表者名
      大内 隆成
    • 学会等名
      ようこそ先輩, 開成学園中学校3年生対象のセミナー
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] アノード電析法を用いる貴金属・レアメタルの新規分離・回収法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      大内 隆成, Chunhao Ding, Shuang Wu, 岡部 徹
    • 学会等名
      一般社団法人資源・素材学会 2024年度 春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Anodic Electrochemical Deposition and Its Application2023

    • 著者名/発表者名
      Takanari Ouchi and Toru H. Okabe
    • 学会等名
      The 16th Workshop on Reactive Metal Processing (RMW16)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Recovery of precious metals from scraps using electrochemical anodic deposition in molten salt electrolyte2023

    • 著者名/発表者名
      Yuka Kujiraoka, Takanari Ouchi and Toru H. Okabe
    • 学会等名
      The 16th Workshop on Reactive Metal Processing (RMW16)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] New recycling process of precious metals using electrochemical anodic deposition2022

    • 著者名/発表者名
      Takanari Ouchi, and Toru H. Okabe
    • 学会等名
      CMSC2022, UT^2-Mac Student Workshop
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of pre-treatment technique for concentration of platinum group metals from autocatalyst by flotation2022

    • 著者名/発表者名
      Sukho Kang, Takanari Ouchi, and Toru H. Okabe
    • 学会等名
      CMSC2022, UT^2-Mac Student Workshop
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a new recycling process of titanium scraps through deoxidation using cerium metal2022

    • 著者名/発表者名
      Gen Kamimura, Takanari Ouchi, and Toru H. Okabe
    • 学会等名
      CMSC2022, UT^2-Mac Student Workshop
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Deoxidation of titanium using rare earth metals as deoxidation agents in molten salt electrolyte2022

    • 著者名/発表者名
      Takanari Ouchi and Toru H. Okabe
    • 学会等名
      Kipouros International Symposium, SIPS2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Recycling Processes of Precious Metals and Rare Metals for Sustainable Development2022

    • 著者名/発表者名
      Takanari Ouchi
    • 学会等名
      The 7th Cambridge-UTokyo Joint Symposium 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 溶融塩電気化学を用いる高効率エネルギー利用と資源循環への挑戦2022

    • 著者名/発表者名
      大内 隆成
    • 学会等名
      第1回溶融塩化学オンラインサロン-Yo!You!en!cafe- (溶融塩委員会)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 次世代エネルギーシステムにおける非鉄 金属製造・リサイクルプロセスの可能性2022

    • 著者名/発表者名
      大内 隆成, 岩船 由美子
    • 学会等名
      持続型材料エネルギーインテグレーション研究センター設立シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 溶融塩中でのアノード電解析出を用いた貴金属の新規リサイクル手法2022

    • 著者名/発表者名
      大内 隆成
    • 学会等名
      溶融塩委員会 第209回定例委員会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Recycling Processes of Nonferrous Metals for Sustainable Development2022

    • 著者名/発表者名
      大内 隆成
    • 学会等名
      九州大学アジア・オセアニア研究教育機構シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 非鉄金属製錬・リサイクル技術について知ってもらいたいこと2022

    • 著者名/発表者名
      大内 隆成
    • 学会等名
      第26回理科・化学教育懇談会フォーラム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [図書] Rare Metal Technology 20242024

    • 著者名/発表者名
      Takanari Ouchi, Kerstin Forsberg, Gisele Azimi, Shafiq Alam, Neale R. Neelameggham, Alafara Abdullahi Baba, Hong Peng, Athanasios Karamalidis
    • 総ページ数
      481
    • 出版者
      Springer
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [図書] Rare Metal Technology 20232023

    • 著者名/発表者名
      Takanari Ouchi, Kerstin Forsberg, Gisele Azimi, Shafiq Alam, Neale R. Neelameggham, Hojong Kim, Alafara Abdullahi Baba, Hong Peng, Athanasios Karamalidis
    • 総ページ数
      301
    • 出版者
      Springer
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] 研究室ホームページ

    • URL

      https://www.ouchi.iis.u-tokyo.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-07-05   更新日: 2024-12-25  

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