J. Plasma Fusion Res. Vol.99, No.6 (2023) 283-284

講座 プラズマと触媒の物理化学的相互作用と表面反応の深化

6 ．おわりに6. Summary
野崎智洋

NOZAKI Tomohiro
東京工業大学 工学院機械系（原稿受付：2023年 2 月 7 日）

本講座は「プラズマ触媒」をテーマに，最近の研究動測の重要性も解説いただき，プラズマ触媒反応に in situ

向に基づき講座をまとめた．プラズマの専門誌であるたIR および in situ XAFS を応用した実例が紹介されている．

め，触媒科学について理解を深めることを目的に，第 3 章

この研究は，JST CREST の支援を受けて実施したもので，では福原長寿先生（静岡大学）より，CO2 をメタンに変本講座第 4 章とともに読んでいただくことで，読者の理換する反応（CO2＋4H2＝CH4＋2H2O）を例に，触媒反解が深まるものと思う．

応（ミクロ）から反応工学（マクロ）まで橋渡しする内第 2 では，金賢夏氏によりプラズマ触媒の基礎やデー容で解説いただいた．吸熱反応と発熱反応を比較しながタ解釈の注意点について解説していただくとともに，第 4ら，触媒の選定や反応器設計・スケールアップのポイン

章ではプラズマ触媒反応の速度論解析，流動層プラズマ，トがわかりやすく解説されている．吸熱反応の場合，ガおよび逆水性シフト反応（CO2＋H2＝CO＋H2O）への応

ス流速と共に熱供給が追い付かなくなるため触媒温度が用事例を紹介している．講座全体を通して多くの読者に下がり（伝熱律速），結果として反応量も低下する．言い興味を持っていただければ幸いである．

換えれば，プラズマによる熱供給が反応器の温度を上昇

第 4 章の冒頭でも述べたように，低炭素技術は多岐にさせている場合，プラズマは熱源として作用しているこわたるが，その中でも最大の関心は CO2 に関連した技術とになり，我々が期待する「活性種による反応促進効果」である．再生可能エネルギーのように CO2 を生成しないではない可能性があることを示唆している．我々は古く技術（Energy Payback Time の後）と，CO2 生成を前提から「非平衡プラズマの伝熱研究」に取り組み［1］，触媒とした排出量削減技術に大別される．後者は機器の効率温度，プラズマ温度の計測には細心の注意を払い［2，3］，向上，CCS（Carbon dioxide Capture and Storage）のほか，さらに伝熱律速の壁を打開すべくプラズマ流動層反応器

近年はメタネーション，化成品，セメントへの転換などの開発も行った［4，5］．第 3 章でまとめられているように，

CO2 有効利用技術に関する研究が活性化している．エネ

プラズマ触媒反応は「化学的な触媒作用と物理的な機能ルギーや物質の生産から消費まで，実質的な CO2 排出量を融合させた物質変換システムの開拓」に相当するものを削減するためには，再生可能エネルギーの利用は必須で，ご多忙のなか示唆に富む寄稿をいただいた福原先生であり，Power-to-X や広義のプロセス電化が喫緊の課題には，改めて謝意を表する．になっている．以上を鑑み，低炭素技術を背景としたプ

第 5 章 で は， 触 媒 の キ ャ ラ ク タ リ ゼ ー シ ョ ン に 用

ラズマ技術のあり方を述べて，本講座のまとめにしたい．

い ら れ る 代 表 的 な 分 析 手 法 と し て， 透 過 電 子 顕 微 鏡

図 1 は化学プロセスの電化技術を分類したもので［6］，（transmission electron microscopy，TEM），X 線 回 折

原著論文の図をもとにプラズマ技術をマッピングしなお法（X-ray diffraction，XRD）， 赤 外 分 光 法（infraredした．直接プラズマ研究に携わっていない研究者も，プ

spectroscopy，IR），X 線吸収微細構造（X-ray absorption

ロセス電化の観点でプラズマ技術を取り上げる事例が増

fine structure，XAFS） を 取 り 上 げ， 測 定 原 理 と 基 礎，

えている．

および触媒科学の視点からデータ解釈の注意点などにつ古くから電気化学反応，光化学反応は熱エネルギー以いて，高草木達先生（北大触媒科学研究所）に解説いた外の方法で化学反応を制御する技術として重用されてきだいた．これらの分析手法は，プラズマ材料研究でもよた．図 1 に示した光化学反応は，電化という観点でまとく利用されており，多くの読者に興味をもってもらえるめており，エキシマランプなどを光源として用いる光化ものと期待する．プラズマの有無にかかわらず，化学反学反応，光触媒反応，および光電気化学反応を指している．

応が進行中の触媒の状態を分析する in situ / operando 計

太陽光による CO2 転換技術（人工光合成など）に限定していないことに注意されたい．太陽光発電と水電解を組Tokyo Institute of Technology, TOKYO 152-8550, Japanauthor’s e-mail: nozaki.t.ab@m.titech.ac.jp

283Ⓒ2023 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research

図1Vol.99, No.6

June 2023

電化技術の分類［6］．原書論文に著者が加筆した．DBD: Dielectric Barrier Discharge, MWP: Microwave Plasma, GAD: Gliding
Arc Discharge.

み合わせれば，光触媒より高いエネルギー変換効率でグ電化が再生可能エネルギーの普及を促進すれば，低炭素リーン水素を生成できるのと同様に，効率の高い UV ラン化に貢献するのである．換言すれば，「プラズマによるププを使って所望の光化学反応を高収率で実現すれば，化ロセス電化」を普及させるために，旧来の電気化学反応学プロセスにおける CO2 排出量を削減できる可能性があや光化学反応と一線を画した，プラズマならではの非熱る．太陽光より光量子フラックスが大きいため，反応装反応（または熱反応と非熱反応の複合化）の利点を明確置がコンパクトになるだけでなく，フロータイプのリアに示さなければならない．そのために，現象解明に向けクターに応用できるメリットもある．蛇足であるが，UVた基礎研究が重要であることは論を待たないが，現象のランプに関して，プラズマの光源応用はエネルギー効率面白さだけが過熱気味にハイライトされてしまい，研究の高さとこれまでの研究実績から，低炭素技術において目的（なぜプラズマ触媒なのか）が軽視されているきら将来性の高い技術になりうる．

いがある．プラズマありきのエネルギー研究が散見されマイクロ波加熱や通電加熱は，再生可能エネルギーとるなかで，エネルギー問題を解決するためにプラズマで組み合わせれば有望な低炭素技術になる．化学反応自体何ができるのか考えなければならない．第 3 章のまとめは熱化学的に制御するが，必要な場所，必要な時間だけに書かれている「化学的な触媒作用と物理的な機能を融加熱したり，温度勾配以外の方法で熱エネルギーを供給合させた物質変換システムの開拓」は，まさにプラズマできるため，旧来の伝熱技術（熱伝導，対流，輻射）で触媒研究がめざすべき指標の一つであり，流行に便乗しは対応できないアプローチでプロセスの高効率化を実現た一過性の研究ではなく，真に社会に貢献できるプラズできる．

マによるエネルギー研究の基盤を構築すること，そしてそのような研究の意義を理解した研究者の参画が不可欠マイクロ波やプラズマは反応場にエネルギーを投入すである．

るため必然的に加熱を伴うが，冷却はできない．冷熱の生成には熱機関が必要で，その駆動に電力を使うヒートポンプも有望な電化技術の一つである．コンプレッサー

参考文献の摺動部材に，例えば DLC コーティングを施すことで［ 1 ］T. Nozaki et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 34, 3383
(2001).
［ 2 ］T. Nozaki et al., Plasma Sour. Sci. Technol. 11, 431(2002).
［ 3 ］Y. Du et al., Plasma Chem. Plasma Proc. 37, 29(2017).
［ 4 ］X. Chen et al., J. CO2 Util. 54, 101771 (2021).
［ 5 ］X. Chen et al., Plasma Process. Polym. e2200207(2023).
［ 6 ］A.I. Stankiewicz and H. Nigar, React. Chem. Eng. 5,1005 (2020).

COP を高めることができれば，CO2 排出量削減に貢献する技術になり得る．本稿の執筆をはじめた 2022 年 11 月頃，
欧州では天然ガスの供給不足と価格高騰により，冬季暖房の危機に直面したエネルギー問題が報道されていた．
燃焼熱に頼らない低炭素な暖房技術としてヒートポンプが注目され，日本のヒートポンプメーカーが競って欧州市場に参入している旨，報道が締めくくられていた．
プラズマが低炭素技術であるかどうか議論することは無意味である．そうではなく，プラズマによるプロセス

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