九州大学
2022/11/11
Kyushu University

窒素ガスと電気から肥料をつくるプラズマ窒素固定技術
九州大学プラズマナノ界面工学センター
教授 古閑 一憲
雷：自然界のプラズマ。別名「稲妻」

雷は農耕文化と強いつながりを持つ。

1略歴

九州大学
Kyushu University

昭和４５年 ５月 ８日生（52歳） 出身地 熊本
平成 ６年 ３月 九州大学 理学部 物理学科 卒業
平成 ８年 ３月 九州大学 総合理工学研究科
高エネルギー物質科学専攻 修士課程修了
平成１１年 ３月 九州大学 総合理工学研究科
高エネルギー物質科学専攻 後期課程修了 博士（理学）取得
平成１１年 ４月
平成２１年１２月
平成２３年１０月

九州大学 システム情報科学研究科
電子デバイス工学専攻 助手
九州大学 システム情報科学研究院
情報エレクトロニクス部門 准教授
ドイツ、ルール大学ボッフム 訪問研究員（翌年９月まで）

大学院時代：対象 負イオンプラズマ（３成分）
イオンシース不安定性
就職から現在まで：対象 反応性プラズマ（多成分）
プラズマ生成ナノ粒子の成長・輸送制御
第3世代太陽電池実現へのマイルストーン
世界最高性能の薄膜太陽電池作製に成功
プラズマ植物成長促進
発芽から収穫までの一貫したプラズマ照射効果を定量的に確認
プラズマ触媒反応場

2

九州大学
Kyushu University

１．プラズマの特長

3

九州大学
Kyushu University

低温プラズマは人類の技術社会を支える打出の小槌
従来：低圧低温プラズマ：半導体プロセスの重要プロセス
近年の大気圧低温プラズマ生成技術の進化によりプラズマの生体応用が急速に発展

特長①非平衡性
室温で高い化学反応性
Tgas~R.T.
Telectron~数eV
電子衝突による解離反応

特長②シナジー効果
２つの要素で特異的な効果発揮例）反応性イオンエッチング
集積回路の高性能化を牽引。
4

プラズマは第４の“状態”

1879年九州大学
Ｗ．クルックスが提唱

Kyushu University

プラズマ

血漿血液の５０％を占める液体部分。出血を止める働きを持つフィブリノーゲンなどを含む。

再結合

気体原子・分子がエネルギーを得て電離（イオン化）、気相中に電子、イオンと中性原子分子が共存する状態。

電離

Irving Langmuirが1923年にプラズマと命名

１９３２年 ノーベル化学賞
界面化学の分野への貢献
民間 (GE社）研究者初

http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0200a/contents/30102.html

写真: Wikipediaより

55

九州大学
Kyushu University

プラズマ生成に関わる過程①：電離、励起粒子（電子）

電子

原子核

電離
e + A → A+ + e + e

励起

電離脱励起

励起
e + A → A* + e
脱励起
A* → A + hv

光子電子＋正イオン

プラズマの発光66

九州大学
Kyushu University

プラズマ生成に関わる過程②：解離

粒子（電子）

電子
原子核

解離
e + AB → A + B + e
77

九州大学
Kyushu University

プラズマ中の化学反応で種々の活性種が生成する。
活性窒素
二酸化窒素
NO2

亜硝酸
HNO2

酸化還元反応を行う

広義の活性酸素

亜酸化窒素
N2O

フリーラジカル
一酸化窒素
NO酸素
3O2

少量なら薬、多量となると毒アルコキシルラジカル
RO ･ヒドロペルオキシラジカル
HOO ･

狭義の活性酸素

ヒドロキシルラジカル･OH
スーパーオキシドイオン
O2-過酸化水素
H2O2

一重項酸素
１O
2

次亜塩素酸
HOCl
脂質ラジカル
ペルオキシナイトライト
ペルオキシラジカル
L･
ONOOROO ･脂質ヒドロペルオキシド
オゾン
LOOH
8 8O3

九州大学
Kyushu University

２．プラズマを用いた窒素固定

9九州大学
Kyushu University

農業生産性向上へのアプローチ
Production level

Potential 100%

Plasma applications

Water limited

Water treatment
Purification

irrigation
灌漑

Nutrient limited

fertilization
堆肥

Actual 30-50%

crop protection

プラズマは各段階の農業生産性向上に貢献可能
T. Sarinont, et al., Arch. Biochem. Biophys. 605 (2016) 129.

Growth enhancement
Plasma fertilizer
Soil treatment
InsecticideSterilization,Pre-& post-harvest,
Storage
improvement
10

九州大学
Kyushu University

環境にやさしく、低コストな窒素固定法が求められています
Use of fertilizer increases
to increase crop yields.

Greenhouse gas (GHG) emission
Productsg CO2 per kg N

Global fertilizer consumption~500 mil. ton CO2
World wide CO2 emission:
35 billion ton (total, 2018)
worldpopulation
growtharable land
per capita

https://www.sec.gov/Archives/edgar/data/941221/00009501031700596
8/dp77561_6k.htm

NH31887.4

HNO37211.2

N2H4O3 (AN)6198.9NH4NO3+CaCO3*MgCO3(CAN)

7395.8

S. Woods et al., A review of greenhouse gas emission
11fertilizer production, IEA Bioenergy Task vol. 38
factor for(2004).

11

九州大学
Kyushu University

２．技術シーズ／従来技術（ハーバーボッシュ法）との比較
Conventional tech.:
Our solution:
Haber-Bosch process
Plasma process

CH4
H2O
O2
N2
https://hb-process.weebly.com/

Disadvantages:
1. Uses of CH4.
2. Uses of fossil fuel.
3. Greenhouse gas(GHG) emission.

Advantages:
1. Only N2 and water.
2. Uses of electricity.
3. Quite low GHG
12emission.

12

九州大学
Kyushu University

窒素固定のエネルギー消費（MJ/mol)

プラズマは高いポテンシャルを持つ技術。

現状目標

13S. Li et al., Processes 6 (2018) 248.

13

九州大学
Kyushu University

技術シーズ／鍵となる化学反応➢ プラズマ中高エネルギー
電子によるN2の衝突解離を利用。
➢ 肥料中H2Oと溶存CO2との反応により窒素・炭素固定。
➢ 予備実験：プラズマ照射による窒素固定を確認。
（Greiss reagant）

waterbeneathmanureNO2-NO3-control

12 uM

213 uM

Low pressureplasma 3min

33 uM

270 uM

Atmospheric
air plasma
914min(21uM)(57uM)

18 uM
327 uM
(6 uM) (114uM)

14

九州大学
In-situ production of nitrogen-rich fertilizer using plasma technology

試験的評価において、プラズマを用いた窒素固定を確認

Kyushu University

200

600500アンモニア、硝酸ともに検出。

400§300

NO3− (%)

NH4+ (%)

150

10020050

N2 gas100

Plasma
600020020 cm0Control

Soil+Fert.

§500

150400§300

NO3− (%)

NH+4 (%)

Plant soil

Plasma-Soil

100200501000Vacuum pumpControl

Soil+Fert.

条件等
99 % N2 + 1% Air, 200 Pa, 3 min

0
Plasma-SoilControl
未処理
腐葉土

Plasma-Soil
プラズマ処理＋化成肥料 腐葉土
Soil+Fert.
腐葉土

15

九州大学
Kyushu University

Schematic representation of plasma treated soil effect
After 2 days of imbibition RadishSprouts

After 3 days of imbibition Tomato1616九州大学
Kyushu University

実用化に向けた課題• 現在、低エネルギー消費（2M J/mol）実現に向けたプラズマ源開発が課題。
• 今後、窒素固定エネルギー消費について、放電方式を含め実験データを取得し、適用していく場合の条件設定を行っていく。

17

九州大学
Kyushu University

企業への期待• 窒素固定の鍵となるプラズマ源（電極・電源）製作についての技術を持つ、企業との共同研究を希望。
• また、窒素固定技術を用いる農業事業体、肥料メーカーなど、農業分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

18

九州大学
Kyushu University

本技術に関する知的財産権
知財１• 発明の名称 ：有機質肥料の製造方法、植物の栽培方法、土壌の改良方法、及び有機質肥料の製造装置• 出願番号：PCT/JP2021/038171
• 出願人
：九州大学
• 発明者
：パンカジ・アタリ、古閑一憲、他
知財２• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：一酸化炭素を含む合成ガスの製造方法および製造装置：特願2022-039792：九州大学：パンカジ・アタリ、古閑一憲、他
19

九州大学
Kyushu University

発展的成果（知財２）：プラズマと触媒溶液を用いた高効率CO2変換
プラズマと触媒溶液を併用することで、従来にない低エネルギー消費でCO2からCOを生成することに成功。
（従来のプラズマ触媒法：25kJ/L[1]、本技術：1kJ/L以下）[1] F. Girard-Sahun, et al., Chem. Eng. J. 442 (2022) 136268.

20

九州大学
Kyushu University

お問い合わせ先
国立大学法人九州大学
オープンイノベーションプラットフォーム
サイエンスドリブンチーム
Tel: 092-802-5137
Fax: 092-802-5145
Email: transfer@airimaq.kyushu-u.ac.jp
21

九州大学
Kyushu University

以上、ご清聴ありがとうございました。

22