触媒ナノ粒子分散プラズマ反応場による二酸化炭素分解とメタン生成

本研究では、地上応用として太陽光発電電力の日照変動の影響の緩和、宇宙応用として火星上での燃料生成を念頭に、CO2のCH4化を高効率に行うことを目的としている。そのための手法として、触媒ナノ粒子分散プラズマ反応場によるCO2のCH4化を考案した。平成29年度は、火星圧力(750Pa)下でのメタン生成を行い、次の結果を得た。 (1)メタン生成における活性化エネルギーを従来法の約1/3倍まで低減した。(2)電極に銅を用いることで、CH4収率を大きく向上させた。詳細を以下に述べる。(1)電極をイオン衝撃によって加熱し、電極温度とCH4収率の関係を測定した。すると、CH4収率は電極温度と共に増加することが分かり、ここでアレーニウスプロットより活性化エネルギーを導出した。その時の値は27.5kJ/molであり、これは従来の触媒を用いた方法の約1/3倍にあたる。プラズマによって活性化エネルギーが大きく低減するメカニズムについてはまだはっきりとわからないが、おそらく触媒表面でメタン生成に使われる材料分子が原料ガスであるCO2やH2の活性種であり、必要なエネルギーが減少したものと考えられる。(2)電極に銅を用いると、CH4収率がステンレスを用いた時と比べて約6倍増加した。ただし、この時の活性化エネルギーについてはほぼ変わらず、その値は20 kJ/mol前後であった。これは、メタン生成に使われる材料分子の量が変わっているということを示唆している。銅はH-O結合を切りやすくする効果があり、そのため触媒表面上のH原子量が増加、メタン生成速度の向上につながったものと考えられる。

本研究では、地上応用として太陽光発電電力の日照変動の影響の緩和、宇宙応用として火星上での燃料生成を念頭に、CO2のCH4化を高効率に行うことを目的としている。そのための手法として、触媒ナノ粒子分散プラズマ反応場によるCO2のCH4化を考案した。平成29年度は、火星圧力(750Pa)下でのメタン生成を行い、次の結果を得た。 (1)メタン生成における活性化エネルギーを従来法の約1/3倍まで低減した。(2)電極に銅を用いることで、CH4収率を大きく向上させた。詳細を以下に述べる。(1)電極をイオン衝撃によって加熱し、電極温度とCH4収率の関係を測定した。すると、CH4収率は電極温度と共に増加することが分かり、ここでアレーニウスプロットより活性化エネルギーを導出した。その時の値は27.5kJ/molであり、これは従来の触媒を用いた方法の約1/3倍にあたる。プラズマによって活性化エネルギーが大きく低減するメカニズムについてはまだはっきりとわからないが、おそらく触媒表面でメタン生成に使われる材料分子が原料ガスであるCO2やH2の活性種であり、必要なエネルギーが減少したものと考えられる。(2)電極に銅を用いると、CH4収率がステンレスを用いた時と比べて約6倍増加した。ただし、この時の活性化エネルギーについてはほぼ変わらず、その値は20 kJ/mol前後であった。これは、メタン生成に使われる材料分子の量が変わっているということを示唆している。銅はH-O結合を切りやすくする効果があり、そのため触媒表面上のH原子量が増加、メタン生成速度の向上につながったものと考えられる。