J. Plasma Fusion Res. Vol.91, No.5 (2015)３
０７‐３１３

解説

気液界面および液中プラズマシミュレーションの現状
Present Situation of Plasma Simulation in and in contact with Liquid杤 久 保 文 嘉，白 藤

立１）

TOCHIKUBO Fumiyoshi and SHIRAFUJI Tatsuru１）
首都大学東京大学院理工学研究科，１）大阪市立大学大学院工学研究科（原稿受付：２
０
１
５年４月６日）近年の非平衡大気圧プラズマの多様な発生法の開発に伴い，液体が介在するプラズマ応用の研究が急速に広がっている．これらは，プラズマ中に発生した荷電粒子やラジカルによって誘起された液中反応を利用するものである．したがって，プラズマの生成過程，気液界面での相互作用を含む気液中での荷電粒子や中性化学種の輸送過程の統合的理解が必要である．本解説では，液中の気泡内放電の進展，液中のイオン輸送を考慮した気液界
面プラズマ，液中の化学反応を取り上げ，気液界面プラズマのシミュレーションの現状を紹介する．まだ予測の域を出ないが，プラズマから液面へ入射する電子や正イオンと水分子の反応によって，プラズマ‐液体界面の液
体側の極薄層に pH や活性化学種の濃度が急激に変化する活性層が形成されること，これが液中反応をコントロールすることが示唆された．モデルの妥当性を高めるには，プラズマ‐液体界面での素過程の理解と充実が必要である．
Keywords:
simulation, plasma-liquid interface, liquid-phase reaction, water, electrochemistry, electric double layer

１．はじめに妥当なモデルに基づくシミュレーションは有用である．

液中，あるいは液体と接する放電現象の研究は新しいもプラズマのシミュレーションにおいて，気液界面現象はのではなく，高電圧・電力機器の分野では絶縁破壊の抑制

ポアソンの式，荷電粒子や中性化学種の密度連続式におけという観点より古くから研究されている．例えば，電気学る境界条件に相当する．この理解は十分ではないが，最近，会では，絶縁油中や極低温液体中の絶縁破壊現象を中心にシミュレーションによって気液界面プラズマの描像を解明

文献調査が行われ，多くの技術報告書が発刊されているする試みが行われている．本解説では，液中の気泡内放電［１‐４］．近年，非平衡大気圧プラズマの多様な発生法の開発の進展，液中のイオン輸送を考慮した気液界面プラズマ，に伴い，液体が介在するプラズマ応用の研究が材料，バイ

液中の化学反応を取り上げ，気液界面および液中プラズマ

オ・医療，環境の分野を中心に急速に広がってきた［５‐７］．

のシミュレーションの現状について紹介する．

これらプラズマの生成法として，液中の電極に高電圧を印

２．プラズマ‐液体界面で想定される現象

加してストリーマ放電を発生させる方法，液中の気泡内に放電を発生させる方法，気中放電（コロナ放電や誘電体バプラズマと液体の界面で想定される現象を図１に示す．

リア放電，グロー放電など）の一方の電極を液体とする方

熱運動によって気液界面へ輸送された気中の中性粒子種法などがあるが，何れも大気圧付近での気中放電がスタートとなる．また，この時にプラズマ中に発生した荷電粒子
やラジカルの気液界面における相互作用が起点となって液中反応が誘起される．したがって，プラズマの生成過程，
気液界面での相互作用を含む気液中での荷電粒子や中性化
学種の輸送過程の統合的理解が必要である．気中での放電進展については，様々な形態の放電プラズマについて，
ICCD 等による時空間分解計測が行われている．また，液体近傍の気中 OH ラジカルの計測なども行われているが［８，９］，液中については化学プローブ法［８］や電子スピン共鳴法［１０］によって一部のラジカルが時空間平均で計測され
図１

たのみである．放電や反応の時空間進展を追跡する上で，プラズマ‐液体界面で想定される現象．

Tokyo Metropolitan University, Hachioji, TOKYO 192-0397, Japancorresponding author’s e-mail: tochi@tmu.ac.jp

３０７!2015 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.5 May 2015

は，ヘンリーの法則に従いながら液中に溶解する．また，計算手法は通常の気体放電と同様であり，荷電粒子や中液体は同時に気化して気相に放出される．気相中の電子や性粒子の密度連続式がポアソンの式と連立されている．電

イオンは電流の連続性を保ちながら液相へと輸送される．

子温度を電子のエネルギー保存則より計算し，電子の輸送

また，荷電粒子は一般に反応性が高いので，気液界面にお係数や反応レート係数を得ている．また，正ストリーマをいて反応し，より安定なイオンとして液中に取り込まれる対象としているため光電離が考慮されている．気体放電のものと推測される．液相に取り込まれた荷電粒子や中性化

粒子輸送は気泡内のみで計算され，液中での電荷の輸送は

学種は，反応しながら液中を輸送される．

次の電流密度連続の式によって行われる．

表１はプラズマ中と液中の各種パラメータを比較したも

$
!
#
#
"
"
!
#!$"
#!$"
$
#

のである．電解質中では拡散係数や移動度が極めて小さいので，気中から輸送された荷電粒子や化学種は界面近傍で（１）大きな密度を持つと推測される．これは，液中の反応が均#は電流密度，"は導電率，!
#は電ここで，!は電荷密度，"一ではなく，気液界面が極めて活性な反応場となりうるこ界である．

とを示唆する．電気的特性という観点からは，高濃度電解質中ではプラズマ中よりも導電率が桁違いに大きいために導体的に振る舞う一方，導電率の低下に伴って誘電体的に振る舞うことがわかる．液体の導電率は気中放電の進展において極めて重要なパラメータである．

３．水中気泡内放電のシミュレーション
高電圧印加による液中放電では，多くの場合に気泡の発生を伴い，この気泡内で放電プラズマが生成される．よって，積極的に水中気泡内放電を利用する場合は気泡を水中

図２

水中気泡内放電のシミュレーションモデル．
（文献［１
１］
より
引用）

図３

液中の半径 900 m の気泡内を進展する正ストリーマの様子（電子密度，電子温度，正の空間電荷）．液体の比誘電率は２と８０，導電率は 10−7 S・cm−1 とされている．
（文献［１
１］
よ
り引用）

に供給する．ここでは Babaeva 等によって行われた水中気
泡内放電のシミュレーション［１１］について紹介する．図２
は計算対象となるモデルである．液中に浸された先端の曲率 半 径 700 μm の ロ ッ ド 電 極 と 平 板 電 極 の 間 に 半 径
450 μm，または 900 μm の気泡があり，ロッド電極に正極性電圧を印加することで気泡内のストリーマ放電を模擬す
る．気 泡 は１気 圧 の N2/O2/H2O＝55/15/30 と し て い る．
ロッド電極先端が気泡内にある場合，および，気泡とわず
かに離れている場合が想定されている．ストリーマ進展の
時間スケールがナノ秒であるのに対し，電界やジュール加熱で気泡が成長する時間スケールはマイクロ秒であるため，この効果は考慮されていない．図２の下面を対称軸とした二次元モデルなので，フィラメント状ではなく，面状のストリーマが成長することに注意が必要である．

表１

プラズマ中と液中の各種パラメータの比較．

媒質の密度
プラズマ密度

プラズマ中
2.45×1019 cm−3
1012〜1015 cm−3

電解質中
3.34×1022 cm−3
6.02×１０20 cm−3（1 M の電解質）
6.02×１０13 cm−3
（純水）

拡散係数

〜１
０3 cm2 s−1〜１
０−5 cm2 s−1

移動度〜１
０3 cm2 V−1 s−1〜１０−3 cm2 V−1 s−1

106−108 cm s−1（電子の場合．イオンは２‐３桁落ちる）〜１
０−2 cm s−1@10 V cm−1

ドリフト速度

導電率0.01 S cm−1
（＠１
０14 cm−3）

0.1 S cm−1＠１ M
5.48×10−8 S cm−1
（純水）

３０８

Commentary

Present Situation of Plasma Simulation in and in contact with Liquid

F. Tochikubo and T. Shirafuji

図３は計算結果の一例であり，液体の比誘電率が２およ気層が形成され，ここに放電プラズマが形成される．即ち，

び８０における，液中の半径 900 μm の気泡内を進展するス

金属電極間に放電プラズマと電気分解が直列接続されたよ

トリーマの様子を示したものである．計算は，気泡内のうな状態となる．これは Hickling 等に見出され，Contact

ロッド電極近傍に置いたピーク密度 108 cm−3 の種電子をGlow-Discharge Electrolysis（CGDE）と 呼 ば れ る［１３］．

起点として開始している．液体の比誘電率が２である場合

CGDE ではプラズマ‐液体界面での荷電粒子と中性粒子のは気泡内を中心軸に沿ってストリーマが進展するのに対輸送や電気二重層形成の理解が重要である．

し，比誘電率が８０の場合は気泡‐液体界面に沿っ て スト

気体放電において，一方の電極に電解質溶液を用いる液リーマが進展している．気泡内のどこをストリーマが進展

体電極放電がある．図５はこの例であり，NaCl 溶液を陰極するかは電界強度によって決定される．即ち，気泡と液体として直流電圧印加により形成した大気圧直流グロー放電の誘電率が大きく異なる場合は気泡‐液体界面で電界が大である［１４］．このときのプラズマ‐液体界面も基本的にはきく屈折するために電界強度も大きくなり，この界面にCDGE と同様と考えられる．

沿ってストリーマが進展しやすくなる．

直流電圧駆動のみでなく，交流電圧駆動によるプラズマ

ストリーマの特性は液体の比誘電率のみならず，印加電‐液体界面の構造や荷電粒子の輸送に関する理解も重要で

圧，液体の導電率，気泡サイズなどにも依存する．例えば，ある．このとき，交流電圧の周期と電気二重層の形成時間

高導電率の液体を用いた場合は液体の誘電率が低い場合での関係がプラズマ‐液体界面の構造に影響すると示唆されも気泡‐液体界面に沿ってストリーマが進展しやすくなっる．

ている．これは，液中のイオン輸送によって気泡‐液体界

前節では電流密度連続の式によって液中の電荷輸送が考面に蓄積した電荷が電界分布を変えるためである．

慮されたが，ここでは液中の個別のイオン輸送を考慮した

最近，Tian 等は気泡のガスを He，Ar，または N2 としてシミュレーションについて紹介する．

同様の計算を行い，更に，気泡内の化学反応や発光につい４．
１ 電気二重層形成のシミュレーションても計算している［１２］．この時，水蒸気は気泡‐液体界面

Morrow 等は濃度 1 mM から 1 M の NaCl 溶液を電解質とから気泡中に拡散するモデルを採用しており，したがってして，電極間距離 1 μm の平行平板電極間に電圧を印加し水蒸気密度は気泡中心よりも気泡‐液体界面近傍で高くた際の電気二重層形成過程を，Na＋と Cl−に対するドリフなっている．いずれのガスの気泡においてもストリーマはトと拡散を考慮した密度連続式をポアソンの式と連立する

気泡‐液体界面に沿って進展しているが，He を用いた場合

ことにより，空間一次元で計算した［１５］．計算のモデルとに最も進展しやすくなっている．

手法は放電プラズマと同じである．電極反応が起こらない

以上に示したように，液中の気泡内放電については，ナ

低電圧印加の下，電気二重層形成を注視している．電極間ノ秒オーダのストリーマ進展過程においては気泡の変形等距離は非現実的であるが，これはナノメータスケールの電は考慮することなく，気泡中と液中のそれぞれでの荷電粒

気二重層を計算するために細かなメッシュを必要とするた子の輸送を解き，これらをポアソンの式で連立することにめである．また，放電管が長くなれば陽光柱が伸びるのとより実現されている．

同様に，バルク部の長さが変わるだけなので，電気二重層

４．液中のイオン輸送を考慮した気液界面プラズ
マのシミュレーション

DC source

電解質溶液中に２枚の金属電極を入れて直流電圧を印加
Anode

溶液中の陽イオンは陰極側へ，陰イオンは陽極側へと動くことにより，電極前面に電気二重層と呼ばれる電荷層が形++成される．これはちょうどデバイ遮蔽と同じであり，その厚みであるデバイ長 #& はデバイ‐ヒュッケルの式から導出

Double layer

図４

され，１価のイオンのみの場合は次式で表される．
#& "!
!
$!%! !""#('+

Potential

Cathode+

すると電気分解が起こる．このとき，図４に示すように，

Double layer

電解質中の電極前面に生じる電気二重層と電位分布．

（２）

ここで，! はモル濃度［mol/L］である．即ち，その厚みはナノメータ程度であり，電解質のモル濃度に依存する．電
気分解では，電気二重層形成に伴う電極前面での強電界によって電極と溶液中のイオン，または中性粒子の反応が起こる．したがって，電気二重層におけるイオン種やその密度は電極反応を決定する重要な要因である．電極反応による電流密度は Butler-Volmer の式によって記述される．
細い金属ワイヤーの陽極を用いた電気分解において電流

図５を増加すると，ジュール加熱によって陽極周囲に薄い水蒸３０９

液体陰極を用いた大気圧直流グロー放電の例．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.5 May 2015（３）式と（４）式の反応が平衡にしているとき，イオンの濃の形成過程や構造には本質的に影響しない．
図６は 0.01 M（イ オ ン 数 密 度 は 6×1024 m−3）の NaCl

度は 6.02×1019 m−3 となる．イオンの移動度と拡散係数は

溶液中，陽極近傍の Na＋密度と Cl−密度の経時変化を示し

表２に示す通りであり，#" と #! の値を変えることで人為たものであり，この場合は 50 μs でほぼ定常に達している．

的に移動度や拡散係数の違いを作る．液中のイオンの取り

陽極前面で Cl−密度は 3×1026 m−3 まで増加するのに対し，扱いは前節の Morrow 等による手法と同じである．誘電体

＋

23

−3

Na 密度は 10 mまで減少している．この電気二重層形部を含めて全領域でポアソンの式を計算することで各部の成により，陽極前面の電界は 55 MVm−1 に達している．同

電界を得ている．気液界面の境界条件として，電流の連続様の計算は純水についても行われ，この場合のイオンは性を満たすために以下の反応が考慮されている．

H＋と OH−となる［１６］．このとき，電気二重層形成に伴う
H＋密度と OH−密度のアンバランスは局所的な pH の違いを生む．このような観点からも，プラズマと溶液が接する

e＋XY→X＋Y-（５）

Ar+＋XY→Ar＋X+＋Y（６）

場合を含め，電気二重層形成は液中の反応系に大きく影響

図８は電圧電流波形の例である．これは，誘電体バリア放することが示唆される．なお，電極前面でのイオン密度や電型の大気圧グロー放電のものと同様であり，放電のオン

電界強度，電気二重層の厚みや形成時間はイオン濃度に依オフが電荷蓄積による誘電体での電圧降下によってコント存して変化する．

ロールされている．また，液体での電圧降下（図８の Liq-

４．
２ 液体と接する誘電体バリア放電における電気二重層

uid top）より，液体も誘電体的な振る舞いをしている様子

の形成

がわかる．

図７は Shirafuji等による液体と接するアルゴン誘電体バ

プラズマから液体への電子や正イオンの入射は気液界面

リア放電のモデルである．誘電体（ガラス），ガス（300 K，

から数 100 nm の領域の液中に電荷の偏りを生じさせ，電大気圧のアルゴン），液体を交流正弦波電圧が印加された

気二重層様の領域が形成される．図９は気液界面での液中平行平板電極で挟んだ構造となっている［１７］．これは，連イオン濃度の時間変化である．プラズマから液面への電子続多孔質誘電体を利用した三次元集積化マイクロソリュー

入射に伴って液体界面での陰イオン濃度が増加し，それがションプラズマの一部を模擬したものに相当する［１８］．ア液中で輸送されることにより濃度が減少している．プラズ＋

マから液面へAr＋が入射した場合の陽イオンの挙動も同じ

ルゴン中での誘電体バリア放電では，電子，Ar ，Ar（3P）が考慮され，局所電界近似の一次元流体モデルによっ

表２て再現されている．液体としては移動度の影響を調べるた
めに，水分子に似せたモデル分子 XY を想定している．
XY→X+＋Y−+−

X +Y →XY

図６"#8.41×1023 m−3 s−1（３）##2.32×10

（４）

−16

3

−1

m s

X+
Y−
H3O+
OH−

液中の陽イオン X＋と陰イオン Y−のパラメータ［１７］．
!
（m2V−1 s−1）
k＋×5×10−7
k−×5×10−7
3.62×10−7
2.05×10−7（m2s−1）!
k＋×1×10−8
k−×1×10−8
9.31×10−9
8.27×10−90.01 M の NaCl 溶液中，電極間距離 1 m の平行平板電極間とCl−に100 mV印加したときの陽極近傍のNa＋（＋で表記）（破線で表記）の数密度の経時変化．
（文献［１
５］
より引用）

図８
図７

液体と接する Ar-DBD のモデル．
（文献［１
７］
より引用）

３１０

印加電圧 500 V，周波数 20 kHz，液中イオンのパラメータk+=k− = 1 における（a）
各部の電位と（b）
プラズマから液面へ流れる電流密度．（文献［１
７］
より引用）

Commentary

Present Situation of Plasma Simulation in and in contact with Liquid

F. Tochikubo and T. Shirafuji

である．移動度の小さな液中イオンは輸送に長い時間を要

マから電子，イオン，ラジカルが入射する．ここでは，電するために，界面近傍に蓄積されやすい．よって，液中イ

子，正イオンのみの入射を考慮し，電子が液面に入射したオンの移動度が異なる場合，図９（b）（c）にみられるように場合は液中で水和電子が生成されるとし，正イオンが入射遅いイオンが界面近傍に蓄積される．これは駆動周波数とした場合は液面での電荷交換衝突によって H2O＋が生成さの関係にも依存するので，周波数が高い方がこのような現れ，これが直ちに H＋と OH に分解されるものとした．

象が起こりやすい．よって，液中のイオン種や印加電圧の

（７）

e→eaq

駆動周波数を適切に選ぶことで選択的にイオン種を気液界

A++H2O→A+H2O＋，

面近傍に蓄えて反応を促進させられることが示唆される．
４．
３ 液体電極を有する直流グロー放電

H2O＋→H++OH（８）

また，液体‐金属電極間では，金属電極が陽極時は塩素ガス

図５に示した液体電極を有する大気圧グロー放電は，横発生が，陰極時は水素ガス発生が起こるものとした．

方向に均一と仮定できる領域のみを取り出せば空間一次元でモデル化される．図１０はこのモデルであり，ガスは大気
圧ヘリウム，液体は NaCl 水溶液としている［１９］．ガス中

2Cl−→Cl2＋2e（９）

2H2O＋2e→2OH−＋H2（１０）（21S），He（23S）について密度連続
は電子，He＋，He＋
2 ，He

図１１は NaCl 溶液を陰極とし，全体に 400 V の電圧を印加の式による一次元流体モデルによって計算している．ました際の電位分布の時間発展を示す．電圧印加により，ガ

た，液中では，陽イオンとして Na＋と H＋，陰イオンとしス部では陰極降下領域や陽光柱といった構造を有する直流

−

−

−

て，Cl ，OH ，O

−
−
−
，O−
2 ，HO2 ，ClO ，Cl2 ，水和電子

グロー放電が形成される．この場合，プラズマ密度は 1012（eaq）の８種，中性粒子として H，H2，OH，H2 O2，O2，HO2，〜1013 cm−3 程度であり，大気圧 He 中での典型的な直流グ

Cl，HOCl，ClO，Cl2 の１０種を考慮し，それぞれ密度連続のロー放電の値となっている．液中では，金属電極や気液界式により計算している．全領域をポアソンの式で計算する面に接する極近傍を除き，電位は線形に変化する．液中のことにより各部の電位や電界を得る．液体電極へはプラズ

電界は電流連続性を満足するように決まるので，導電率の影響を強く受ける．NaCl 溶液の濃度が 60 mM のときにプ
ラズマ中と液中での導電率はほぼ等しくなり，6 mM では
導 電 率 が 低 い た め に 液 中 の 電 圧 降 下 が 増 加 し，一 方，600 mM での液中の電圧降下は小さな値となった．なお，
電流密度は 6 mM で 440 μmA/cm2，60 mM で 1.68 A/cm2，
600 mM で 2.33 A/cm2 となった．
図１２は600 mMのNaCl溶液中における電位分布の時間進展を示す．金属電極前面の 1 nm 程度の領域で急激な電位の変化は電気二重層形成によるものであり，図１３（b）からわかるように，陽イオンと陰イオンのドリフトに起因する密度差が原因である．金属陰極では水素ガス発生に伴ってOH−が生成されるため，金属陰極から数 μm の領域ではOH−の濃度が高くなり，局所的にアルカリ性となる．一方，気液界面近傍では電気二重層に相当する電位勾配は見られず，正負のイオンもほぼバランスしている．これは前節で示した誘電体バリア放電型における液中での気液界面近傍の現象との違いである．直流グロー放電の陰極降下領域から液面へイオンが注入され，それが電荷交換衝突を介
400

気液界面での液中イオン濃度の時間変化．（a）
イオンの輸送パラメータは同じ場合，（b）
陰イオンが陽イオンより速い場合，（c）
陽イオンが陰イオンより速い場合．（文献［１
７］
より引用）

1 mm

Gas (1 atm. He)

1 mm

Liquid(NaCl solution)

Potential (V)

図９

Source300

600 mM200

In liquid

100

6 mM

In gas

60 mM

0
0

1
Distance (mm)2

図１
１ NaCl 溶液の濃度をパラメータとした直流液体陰極放電における電位分布．

図１
０ 液体電極を有する直流グロー放電のモデル．

３１１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.5 May 2015

5

Potential (V)のシミュレーションが行われている［２０，２１］．無次元モデ(a)4

ルは化学種が液中で一様に分布していると仮定の下でレー

-4

10 s

3

ト方程式を計算する．一方，一次元モデルは気液界面から

2

10 s

で，気液界面から深さ方向への粒子輸送や反応の進展を含

1

10-6 s

0
0

0.2

0.4
0.6
Distance (mm)5(b)
Potential (V)Potential (V)54

深さ方向への拡散を考慮して反応拡散方程式を計算するの

-5

3
2

-4

10 s

1

-5

10 s
0
0 2 4 6 8 10Distance (nm)

めて評価可能である．

0.8

1

気液界面での粒子輸送は，局所的な平衡を仮定し，ヘンリーの法則によって評価される．

(c)!%$&!"!#$#"'!#"'

-4

4

10 s

3

-5

10 s

ここで，!%$&と !#"'は気液界面近傍における液中と気中の2

化学種の濃度［mol/m3］，"! はヘンリー定数［mol/（m3Pa）］，

1，$#"'はガス温度［K］で#は気体定数で 8.3 m3･Pa/（K･mol）

-6

10 s
0
-10 -8 -6 -4 -2 0
Distance (nm)ある．あるいは,液面へ入射する気体分子のフラックスを熱運動論から評価して用いる［２０］．
図１４は Hamaguchi 等による無次元モデルの計算結果で

図１
２ 600 mM の NaCl 溶液を陰極とした液体陰極放電における
液中の電位分布．（a）
全領域，（b）
金属電極近傍，（c）
気液
界面近傍．

あり,電子電流が 1 mA・cm−2 で pH が７の水面に入射する
場合の液中の化学種密度の経時変化を示す．液中の N2 とDensity (cm-3)

23

10
10 22 (a)
+
Na
Cl
10 21
20
10
10 19
10 18
10 17
OH (x100)
10 16
10 15
0
0.2
0.4
0.6
Distance (mm)
10

22

Na

(b)

1021
1020
1019

O2 はヘンリーの法則によって気中から溶け込んだものである．この場合の主たる反応は+H (x100)

Cl-

OH -

1018
1017
0 2 4 6 8 10Distance (nm)

（１２）

−
2O−
2 →O2+H2O2＋2OH

（１３）

1

を示唆している．

+

同様の計算では，気液界面に溶けた OH は直ちに H2O2 へと

液中の深さ方向への拡散を考慮した一次元モデルによる
Na

3 (c)

Cl

-

変換され，OH は気液界面から 1 μm 程度の領域にしか存在しないことを示している［２０］．即ち，４章でも述べたよう

2
1

eaq＋O2→O−2であり，溶存酸素が H2O2 の生成に大きく寄与する可能性
0.8

4
+

Density (x10 20 cm -3)-3

Density (cm )

1023

（１１）

に，液中，特に，気液界面での反応が液中の反応を大きく+H (x10)

支配することが推測される．

0-10 -8 -6 -4 -2 0
Distance (µm)

なお，実際に空気中で放電した場合は少なからずの窒素
酸化物，硝酸や亜硝酸が気中で生成され，これらが液中に

図１
３ 600 mM の NaCl 溶液を陰極とした液体陰極放電における
液中のイオン密度分布．（a）
全領域，（b）
金 属 電 極 近 傍，（c）
気液界面近傍．

溶け込むことで液中反応系がより複雑になる．また，液中での化学種の拡散係数は小さいために，拡散よりも対流のして H＋と OH を生成するために，気液界面近傍から数 μmの領域ではH＋の濃度が高まり，局所的に酸性になる．反応性の高い OH は気液界面から数 nm の領域にしか侵入できないが，その多くは H2O2 へと変換され，拡散や対流によって液体の広い領域へと輸送される．
印加電圧の極性が逆の場合も基本的な現象は同様であり，液中の金属電極前面では電気二重層が形成されるのに対し，気液界面近傍では電気二重層は形成されない．また，
直流グロー放電から液面へ入射した電子が起点となってOH−と H を生成し，界面近傍で液中反応がスタートする．

５．液中化学反応のシミュレーション
液体へのプラズマ照射を医療，材料，環境などの分野へ応用する場合，直接的に知りたい最も重要な情報は液中の図１４ 電子電流が 1 mA/cm2 ので pH = 7 の水に照射された際の水中の化学種密度の経時変化．
（文献［２０］からの引用）

化学種とそれらの反応過程であり，これらを推定するために空間無次元，または一次元のモデルによる液中化学反応
３１２

Commentary

Present Situation of Plasma Simulation in and in contact with Liquid

謝方が影響する可能性も高く，今後はこのような検証も必要

F. Tochikubo and T. Shirafuji

辞

本報告の一部は，文部科学省科学研究費補助金新学術領である．

域研究「プラズマとナノ界面の相互作用に関する学術基盤

６．まとめの創成」を受けて行われた．

本解説では，液中の気泡内放電の進展，液中のイオン輸送を考慮した気液界面プラズマ，液中の化学反応を取り上

参考文献

げ，気液界面および液中プラズマのシミュレーションの現［１］液体中の伝導・破壊現象調査専門委員会：「液体中の伝導と破壊」電気学会技術報告 2-242 (1987).
［２］極低温液体中の高電界現象と計測法調査専門委員会：「極低温液体中の高電界現象と計測法」電気学会技術報
告 588 (1996).
［３］液体の破壊前駆現象とそのシミュレーション調査専門委員会：「液体誘電体の諸現象とそのモデリングならびに応用技術」電気学会技術報告 884 (2002).
［４］液体中の放電現象に関する極限計測技術調査専門委員
会：「液体誘電体の放電現象と応用に関する極限計測技術」電気学会技術報告 1125 (2008).
［５］秋山秀典 他：プラズマ・核融合学会誌 84, 664 (2008).
［６］P. Bruggeman and C. Leys, J. Phys. D 42, 053001 (2009).
［７］白藤 立 他：表面科学 34, 547 (2013).
［８］S. Kanazawa et al., Plasma Sources Sci. Technol. 20,
034010 (2011).
［９］H. Ishigame et al., Jpn. J. Appl. Phys. 54, 01AF03 (2015).
［１０］A. Tani et al., Appl. Phys. Lett. 100, 254103 (2012).
［１１］N.Yu Babaeva and M.J. Kushner, J. Phys. D 42, 132003(2009).
［１２］W. Tian et al., J. Phys. D 47, 055202 (2014).
［１３］A. Hickling and M.D. Ingram, Trans. Faraday Soc. 60, 783(1964).
［１４］N. Shirai et al., Plasma Sources Sci. Technol. 20, 034013(2011).
［１５］R. Morrow et al., J. Phys. D 39, 937 (2006).
［１６］R. Morrow and D.R. McKenzie, Proc. R. Soc. A 468, 18(2012).
［１７］T. Shirafuji et al., Jpn. J. Appl. Phys. 53, 03DG04 (2014).
［１８］T. Shirafuji and Y. Himeno, Jpn. J. Appl. Phys. 52, 11NE
03 (2013).
［１９］杤久保文嘉 他：電気学 会 放 電 研 究 会 資 料 ED-14-144(2014).
［２０］S. Hamaguchi et al., JPS Conf. Proc. 1, 015055 (2014).
［２１］竹内 希：電気学会論文誌 A 134, 315 (2014).

状についてまとめた．
液中の気泡内放電ではストリーマ放電が気泡‐液体界面に沿って進展する様子が実験的に観測されている．シミュ
レーションでも同様の状態が再現され，これは気泡と液体の誘電率の違いによって気泡‐液体界面で電界が強められるためであることが示されている．
液中のイオン輸送を考慮した気液界面プラズマのシミュ
レーションでは，プラズマから液面へ向かう荷電粒子のフラックスによって，気液界面近傍の液中イオン濃度がコン
トロールされる様子が示された．特に，交流電圧駆動の場
合は，気液界面の液体側に電気二重層様の電荷層が形成されること，この電荷層の極性は液中の正負イオンの移動度の違いや印加電圧の周波数に依存することが示された．また，直流電圧駆動の場合は，プラズマからの荷電粒子入射によって電荷層が中和されるために気液界面の液体側に電気二重層は形成されない一方，電子と水分子の反応によって OH−が，正イオンと水分子の反応によって H＋が形成されるために，界面近傍で局所的に pH が変化する様子が示された．気相から液面へ輸送される化学種，液面での反応によって生成される化学種も気液界面の液体側に高濃度の層を形成する．よって，プラズマに誘起される液中反応では，界面近傍領域の反応の重要性が強く示唆される．
現状において，これらの計算結果は予測の域を出ておらず，何らかの実験的な検証が必要である．また，モデルの精度を高めるには，液中におけるイオンや化学種の反応や輸送特性といった基礎データの充実，特に，プラズマから液面へ入射した電子やイオンがどのような挙動を示すかを正確に取り込むことが必要である．

!!!!!!!!!!!!!!!!!

とち

く

ぼ

ふみ

よし

杤 久 保 文 嘉
首都大学東京大学院理工学研究科電気電子工学専攻教授．１
９
９
２年慶應義塾大学大学
院・博士（工学）．東京都立大学助手，講師，助教授，大学再編を経て２
０
１
０年より現
職．非平衡大気圧プラズマの基礎と応用に関する研究をしており，最近は放電プラズマと電気化学の融合による液中プロセスに取り組んでいます．今回，学生さんからもらった自撮
り棒で写真を撮ってみました．娘たちと一緒に写っているので笑顔です．

!!!!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

３１３