| 研究課題/領域番号 |
16H01795
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
本間 格 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90181560)
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| 研究分担者 |
小林 弘明 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (90804427)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | グラフェン / ダイヤモンド / 水熱電気化学 / 超臨界流体 / コプロダクション |
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| 研究実績の概要 |
地球温暖化対策の本質は化石燃料から排出される二酸化炭素のゼロエミッション化およびカーボンニュートラル循環の構築である。
本基盤研究Ａでは①水素と②有価な機能性ナノ炭素材料をゴミやバイオマス等の安価炭化水素原料から同時製造（コプロダクション）することにより②の経済的利潤を①に還元することで水素の安価量産化を可能とすることを目的としている。原料炭化水素中の炭素を従来のガス改質の様に二酸化炭素として排出するのではなく、経済的利潤が得られる機能性炭素材料として固定化・循環することで、トータルシステムとして、社会的課題である水素製造の低コスト化と、水素製造時の二酸化炭素のゼロエミッション化を実現する、画期的な炭素循環コプロダクション型水素製造技術を開拓する。特に多元研・本間研の独自技術である水熱電気化学法を用いて高温・高圧の亜臨界水状態で炭化水素原料を溶かした水溶液を電気分解することにより水素とダイヤモンドなどの高付加価値炭素のコプロダクションを実現する。平成２８年度は上記目的実験を実施するための高温高圧対応の電気化学槽を設計、購入して装置稼働と予備実験を行ったので、平成２９年度は本格的な亜臨界水状態での電解実験を行った。白金基板上にダイヤモンドペーストを塗布してダイヤモンド種を付着させ１０００℃で１０分間加熱することにより固定化して陽極とした。電極はアセトン、エタノール、水で各１時間の超音波洗浄により表面清浄化を行った。この白金基板を用いて典型的な合成条件としては３３０℃、１３MPa、３．５Ｖ、30分にて電気分解を３０分行ったところダイヤモンドが生成した。このように亜臨界領域での水熱電気化学法でダイヤモンドを合成した例は過去になく世界初の合成に成功した。
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| 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
ダイヤモンド合成条件の最適化を行った。亜臨界水の物理化学状態は温度により大きく左右されるので、水熱電解合成の温度範囲を２７０℃、３００℃、３３０℃、３５０℃、３７０℃と水熱条件から亜臨界、さらには水の臨界点直下まで広い温度範囲で変化させ、また白金両電極に印可する電圧も1.3Ｖ, 2V, 3.5V, 5V、また電解合成時間も1min, 10min, 30min と変化させてダイヤモンド合成の最適条件を検討した。このような高温高圧の水熱電解でダイヤモンド生成を確認する為SEMとラマン分光により確認を行った。SEM観察により300℃条件ではダイヤモンド種結晶（50nm程度）からの結晶成長は少量観察された。約0.1μから1μ程度の結晶粒子を白金基板上に観察されたのでラマン分光により構造評価を行ったところ、Dバンド付近の1330cm-1領域とGバンド付近の 1600cm-1領域にブロードな散乱ピークが現れアモルファス構造炭素物質を示唆した。次に電解合成温度を330℃に上げた場合はSEM観察では0.2μ程度の小粒子から2μ程度の大粒子までサイズ分布の大きな粒子成長が観察された。2μサイズの大粒子はダイヤモンド結晶に特有の正８面体のきれいな形の結晶が成長していることを確認した。このような大型ダイヤモンド粒子は２０ミクロン四方の領域に3つほど確認された。これらの粒子のラマン分光測定を行った結果、単一の1330 cm-1のシャープなＤバンドが明瞭に観察され高結晶性のダイヤモンドが合成出来ていることが判明した。さらに温度を上げた350℃での合成では330℃合成とほぼ同じ核発生密度であったが大粒子は見出されず0.5μから1μ程度の中サイズ粒子が多数観察された。ラマン分光測定では330℃合成とほぼ同じ1330 cm-1のシャープなＤバンドが観察されダイヤモンドであることが判明した。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の方針としてよりダイヤモンド生成効率の高い反応プロセスを見出す。酢酸以外のカーボンソースの検討（例えばギ酸など）を行い高品質のダイヤモンドが大量に合成できる水熱電解プロセスを開発したい。 これまでの研究により水素とダイヤモンドのコプロダクションを実証したことは大きな成果であるが今後は陰極での水素発生量を定量的に調べて原料炭化水素から水素とダイヤモンドへのそれぞれの合成収率を求めることにより反応システムの全体像を明らかにして、本研究における水熱電解法の利点並びに実用性を明らかにする。また、亜臨界水状態がダイヤモンド合成に最も適した温度であるのはどのような物理化学的原因なのかを反応工学的に明らかにする。亜臨界水のｐHなどを変えつつダイヤモンド合成実験を行い水中のどのようなイオン種が反応種となっているかを明らかにして、より効率的な合成条件を見出したい。将来的には二酸化炭素やバイオエタノールからダイヤモンドと水素のコプロダクションシステムを構築出来れば、二酸化炭素を放出しない水素製造と炭素固定化システムが実現するので温暖化対策に有効な資源循環技術を提供出来る。
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