大気圧非平衡パルスプラズマを用いたメタンから含酸素液体燃料の直接合成

これまでの研究結果より、火花放電を用いてメタンの活性化を行った場合、非常に高いエネルギー効率でメタンをアセチレンへ転換できることが明らかとなったが、本研究で目的とするメタノールのような含酸素液体化合物の合成に必要なメチルラジカルの生成には不向きであることがわかった。一方で、誘電体バリア放電を用いてメタンの活性化を行った場合、エタンの生成物選択性が非常に高く、大量のメチルラジカルを経由していることが示唆された。また、火花放電を用いて水蒸気の活性化を行った場合、非常に強いOHラジカルに由来する発光を確認することが出来、誘電体バリア放電では難しい水蒸気からのOHラジカル生成が可能であることがわかった。そこで、両プラズマを同一の反応器内で、かつラジカルが消滅しないように出来る限り近接した領域で発生させ、火花放電側には水蒸気を、誘電体バリア放電側にはメタンを供給し、OHラジカルとメチルラジカルのカップリングによるメタノール直接合成を試みた。その結果、実験条件により、メチルラジカルの供給が律速の場合は大量のOHラジカル供給による水蒸気改質反応が進行し、CO_xが主生成物であったのに対し、OHラジカルの供給が律速の場合は、誘電体バリア放電の結果同様、エタンが主生成物であった。さらに、両ラジカルの供給がバランスした条件では、メタノールの生成速度が非常に高くなり、メタン-水からのメタノール直接合成に成功した。まだまだエネルギー効率に問題はあるものの、本反応は熱力学的には進行し得ない反応であり、非平衡プラズマの特性を充分に活用した反応系であると考えられる。

これまでの研究結果より、火花放電を用いてメタンの活性化を行った場合、非常に高いエネルギー効率でメタンをアセチレンへ転換できることが明らかとなったが、本研究で目的とするメタノールのような含酸素液体化合物の合成に必要なメチルラジカルの生成には不向きであることがわかった。一方で、誘電体バリア放電を用いてメタンの活性化を行った場合、エタンの生成物選択性が非常に高く、大量のメチルラジカルを経由していることが示唆された。また、火花放電を用いて水蒸気の活性化を行った場合、非常に強いOHラジカルに由来する発光を確認することが出来、誘電体バリア放電では難しい水蒸気からのOHラジカル生成が可能であることがわかった。そこで、両プラズマを同一の反応器内で、かつラジカルが消滅しないように出来る限り近接した領域で発生させ、火花放電側には水蒸気を、誘電体バリア放電側にはメタンを供給し、OHラジカルとメチルラジカルのカップリングによるメタノール直接合成を試みた。その結果、実験条件により、メチルラジカルの供給が律速の場合は大量のOHラジカル供給による水蒸気改質反応が進行し、CO_xが主生成物であったのに対し、OHラジカルの供給が律速の場合は、誘電体バリア放電の結果同様、エタンが主生成物であった。さらに、両ラジカルの供給がバランスした条件では、メタノールの生成速度が非常に高くなり、メタン-水からのメタノール直接合成に成功した。まだまだエネルギー効率に問題はあるものの、本反応は熱力学的には進行し得ない反応であり、非平衡プラズマの特性を充分に活用した反応系であると考えられる。