反応性セラミック利用型水素製造熱化学サイクルを目指した新材料フェライトの開発

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08780470
• 研究機関: 新潟大学
• 研究代表者: 児玉 竜也 新潟大学, 工学部, 助手 (60272811)
• キーワード: 水分解熱化学サイクル / 水素エネルギー / 太陽熱 / 反応性セラミック / フェライト / 鉄合金 / ニッケル / インジウム

研究概要

1200℃以下で下記の水分解熱化学サイクルを構築することを目的として、反応媒体となる反応性セラミック新材料の開発を、複合鉄酸化物(フェライト)のredox系で検討した。
MFe_2O_4→MFe_2O_<4-x>+x/2O_2(酸素放出反応)
MFe_2O_<4-x>+xH_2O→xH_2+MFe_2O_4(水分解反応)
Zn(III)-、Mn(II)-フェライトに加え、マグネタイト(Fe_3O_4)、Ni(II)-、Mg(II)-、Co(II)-、In(II)-フェライトの反応性を調べた。比表面積を大きくし、反応を有利にするために粒径20-50nmの超微粒子を合成し、赤外線イメージ炉で作製した太陽炉モデルの反応炉で実験を行った。酸素放出反応に対する反応性を700℃の低温で速度論的に解析するため、炭素(活性炭)を還元剤として加えた。その結果、M=Zn<Mn<Fe<Co<Mg<In<Niの順で格子酸素の放出速度が増大することがわかった。さらにMg(II)以下のフェライトでは準安定ウスタイトで還元が止まるに対し、In(III)、Ni(II)ではα-Fe+In、Ni-Fe合金の金属相まで還元が進行することが見出された。Ni(II)-フェライトについてはNiとの合金化で金属鉄の生成自由エネルギーが低下することが原因と考えられるが、金属Inが独自に形成されるIn(III)-フェライトでは、Fe(II)への電子の授与にInが触媒的に関与するという興味深い還元機構が推察される。これら金属相は500℃で水蒸気を分解して水素を生成し、ほぼ完全にフェライト相に再酸化されることが確認された。次に、In(III)-、Ni(II)-フェライトで活性炭を用いず900℃以下においてN_2気流中での酸素放出反応を試みた結果、金属相の生成はほとんど起らなかった。これらフェライトにさらに改良を加える必要があるが、本研究で見出されたNi(II)-フェライトの低温のおけるNi-Fe合金への転移を、さらにInの触媒効果を利用し低温化することが期待でき、現在、Ni(II)-In(III)-フェライトによって検討中である。

研究成果

• [文献書誌] 児玉竜也: "Characterization of Ultrafine Ni_xFe_<3-x>O_4 Particles Synthesized by Co-Precipitation : Size Regulation Magnetic Properties" 日本応用磁気学会誌. 20巻6号. 305-306 (1996)
• [文献書誌] 児玉竜也: "Reactive and Selective Redox System of Ni(II)-Ferrite for a Two-Step CO and H_2 Production Cycle from Carbon and Water" Energy. 21巻12号. 1147-1156 (1996)
• [文献書誌] 児玉竜也: "Synthesis and Characterization of Ultrafine Mn(II)-Bearing Ferrite of Type Mn_xFe_<3-x>O_4 by Coprecipitation" Materials Research Bulletin. 31巻12号. 1501-1512 (1996)
• [文献書誌] 児玉竜也: "High Reactive Redox Pair of Wustite/Ferrite for Thermochemical H_2 Production Cycle" Proceedings of the First Trabzon International Energy and Environment Symposium. 2巻. 877-882 (1996)
• [文献書誌] 北山淑江: "Methane-Coupling and Hydrogen-Generation Cycle Using a Redox System of Mn(II)-Ferrite" Proceedings of the First Trabzon International Energy and Environment Symposium. 2巻. 883-888 (1996)
• [文献書誌] 児玉竜也: "High-Temperature Reactions on Metal Oxides of CH_4 with H_2O to From C_2H_4,CO and H_2" Energy. (掲載予定).