メタンのプラズマ化学反応における活性種のその場質量分析とその反応制御

低質のエネルギーを用いて容易に水素に変換できるメタノールにメタンを変換することはエクセルギーの観点から重要であり、この変換が高い効率で行えれば、高効率エネルギー使用システムを構築できる。しかし、触媒を用いた化学反応では十分に高い効率を得ることができない状況にある。そこで、本研究ではプラズマ化学反応を用いたメタンのメタノールへの改質反応について検討した。プラズマ化学反応では、通常の化学反応では得られない活性種を容易に得ることができ、上記の改質反応を進めることができる可能性がある。しかし、逆に種々の活性種が生成することから、その反応の制御が問題となる。本研究では、メタン+水系のプラズマ化学反応の素過程を"その場"質量分析装置を用いて解析した。メタンおよび水の水素を重水素に置き換えたCD_4あるいはD_2Oを用いて質量分析を行い、マススペクトルのピークシフトから反応機構を検討した結果、メタンからのメタノールの生成過程においてCH_3ラジカルとOHラジカルが反応中間体であることを見出した。また、CH_3ラジカルやOHラジカルがさらに分解するような過程ではメタノールが生成しないことが分かった。これらの効果について、非経験的な分子軌道法を用いて反応過程のエネルギー状態を調べた結果、上記の中間体を経由する反応が反応がエネルギー的に見ても妥当であることが分かった。

低質のエネルギーを用いて容易に水素に変換できるメタノールにメタンを変換することはエクセルギーの観点から重要であり、この変換が高い効率で行えれば、高効率エネルギー使用システムを構築できる。しかし、触媒を用いた化学反応では十分に高い効率を得ることができない状況にある。そこで、本研究ではプラズマ化学反応を用いたメタンのメタノールへの改質反応について検討した。プラズマ化学反応では、通常の化学反応では得られない活性種を容易に得ることができ、上記の改質反応を進めることができる可能性がある。しかし、逆に種々の活性種が生成することから、その反応の制御が問題となる。本研究では、メタン+水系のプラズマ化学反応の素過程を"その場"質量分析装置を用いて解析した。メタンおよび水の水素を重水素に置き換えたCD_4あるいはD_2Oを用いて質量分析を行い、マススペクトルのピークシフトから反応機構を検討した結果、メタンからのメタノールの生成過程においてCH_3ラジカルとOHラジカルが反応中間体であることを見出した。また、CH_3ラジカルやOHラジカルがさらに分解するような過程ではメタノールが生成しないことが分かった。これらの効果について、非経験的な分子軌道法を用いて反応過程のエネルギー状態を調べた結果、上記の中間体を経由する反応が反応がエネルギー的に見ても妥当であることが分かった。