大気圧プラズマの基礎と低炭素技術への応用

大気圧プラズマを使って、温室効果ガス (CH4、CO2) を水素、合成ガス、カーボンナノファイバーなど有用物質に変換する反応を対象に、大気圧プラズマ技術の基礎と応用を講義します。本講義で取り扱う誘電体バリア放電 (DBD) は、オゾン合成、CO2レーザー、空気清浄機など低温で動作させる非平衡プロセスを実現する方法として多くの産業で実績を有している信頼性の高い技術です。近年は、DBDと触媒を組み合わせた反応システムが注目を集め、電気エネルギーで駆動する非熱的な物質変換への応用が検討されています。その中でも、大気圧プラズマは再生可能エネルギーとの接続性が高く、低コストで脱炭素を実現する新しいGX技術として期待されています。 　本講義では、エネルギー・環境問題におけるプラズマ技術の役割を紹介します。さらに、プラズマの発生方法、反応システムの組み立て方、プラズマやガスの計測方法、エネルギー効率の求め方や注意点、異なるプラズマプロセスの比較方法などをわかりやすく講義します。プラズマによるガス処理を対象にしていますが、プラズマ発生技術や計測、データ解析方法などの基礎は、表面処理、殺菌・バイオ応用など様々な応用分野に適用できます。

1. はじめに (基礎編)
   1. 放電とプラズマ
   2. 大気圧プラズマとは
      • 誘電体バリア放電
      • コロナ放電
      • グライディングアーク放電など
   3. 応用事例の簡単な紹介
      1. オゾン合成、エキシマランプ、CO2レーザー
      2. 材料合成への応用
      3. 医療・農業分野への応用
2. 誘電体バリア放電 (DBD)
   1. 気体の絶縁破壊と相似則
   2. 電圧と電流の計測 (実時間、時間平均)
   3. リサージュ図形を使ったDBDのマクロ解析
      1. 放電電力、放電維持電圧、平均電流
      2. 比投入エネルギーとエネルギー効率
   4. 誘電体バリア放電場の伝熱 (エネルギー収支)
3. 触媒充填層のなかでDBDをつくる
   1. 充填層のなかで形成されるDBDの特徴
   2. 細孔の中でプラズマは形成されるか? – デバイ長とパッシェン則
   3. 発光分光分析の基礎
      1. 空間分解、時間分解、波長分解
      2. ガス温度計測 (波長分解依存)
      3. 化学反応のパルス応答解析 (空間分解・時間分解依存)
4. オープンソースの活用 (簡単に)
   1. リサージュ図形と換算電界強度 – ミクロとマクロをつなぐ
   2. 電子と分子の衝突断面積データ
   3. 電離および励起速度定数の推定
   4. ナノ秒で変化するミクロ反応場の集合体
5. 大気圧プラズマと低炭素技術 (応用編)
   1. Power – to – Xとプロセス電化
   2. プラズマによる低炭素技術とは
   3. プラズマによる化学反応の促進とは
6. メタンドライ改質の応用 (CO2+CH4=2CO+2H2)
   1. 充填層型DBD反応器の構成
   2. ステップ応答を利用した反応解析
   3. 平均反応速度の求め方 (プラグフロー・モデル)
   4. アレニウスプロットによる反応速度論解析
      1. 反応次数と活性化エネルギーの求め方
      2. 熱反応とプラズマ反応の分離
   5. 流動層型DBD反応器
      • 熱物質輸送を促進する意義
   6. エネルギー効率 (吸熱反応)
7. 逆水性シフト反応 (CO2+H2=CO+H2O)
   1. 流動層型DBD反応器の構成
   2. 活性化エネルギー
   3. その場FTIRによる表面反応解析
      • 拡散反射型と透過型の違い
8. メタネーション反応 (CO2+4H2=CH4+2H2O)
   1. プラズマによる熱とラジカルの併給効果
   2. オートサーマル・メタネーション反応
   3. バイオガスメタネーションの特徴
   4. エネルギー効率 (発熱反応)
9. CO2から固体炭素の合成
   1. 流動層DBDによる繊維状炭素の連続合成
   2. 二次電池電極材料への応用
10. 質疑応答