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論文題目「ロングDCアークを用いた炭素材料と水素のコプロダクション」
藤井皓一朗
1. 諸言
グラフェンやカーボンナノチューブといった炭素材料は，優れた電気特性や熱伝導特性により様々な分野への応用が期待されている．また，水素は，アンモニア合成や石油精製に用いられており，近年ではCO2を排出しない環境への負荷が小さいエネルギー源として燃料電池などへの利用が進められている．
本研究では，ロングDCアークを用いたメタンの熱分解による，水素および炭素材料のコプロダクションを目的とした．ロングDCアークは通常のDCアークよりも一桁以上長い電極間距離(300 mm)を有する．このため原料ガスの滞留時間が長く，均一な加熱が可能である．またプラズマ体積が大きいため原料の大量処理が可能である．
2. 実験装置および実験方法
ロングDCアークの電極はCu電極を用い，電極間距離は300 mmとした．反応器上部より，プラズマガスとしてArを60 L/min, 原料ガスとしてCH4を0.5
L/min供給した．また，パラメータとしてアーク電流値を8，10，13 Aと変化させた．
分解後の気体はガスクロマトグラフ(GC)を用いて分析し，得られたガス組成から分解率と水素バランスを算出した．固体生成物はプラズマトーチよりも下流に設置されたフィルターから回収し，ラマン分光法による分析を行った．
3. 実験結果
アーク電流値と分解率の関係において，アーク電流値が増加するにしたがって，分解率が上昇していることが確認された．これは，アーク電流値が増加することで電流密度が増加し，それに伴いプラズマ体積とアーク温度が上昇することで原料ガスの分解が促進されたためである．
次に気体生成物の評価を行う．GCにより検出されたピークはCH4，H2であった．CH4の分解後の水素バランスにおいて，電流値が増加するにしたがって，H2として存在する水素の割合が上昇していることが確認された．
次に固体生成物の評価を行う．固体炭素の構造の同定および水素含有量の算出を目的として，ラマン分光法による分析を行った．どの条件においても，炭素材料に特徴的に表れるD，Gピークと，グラフェンなどの結晶性の高い構造体に現れる2Dピークが確認された．ラマンスペクトルのベースラインの傾きから固体生成物中の水素含有量を算出することが可能であるが，傾きは確認されず，固体生成物中の水素含有量は2.4wt%以下と，少量であることが明らかとなった．また，電流値が増加するにしたがって，D/G比が減少する傾向が得られた．これは，アーク電流値の上昇によってアーク温度とプラズマ体積が上昇し，CH4の解離が優位に進行することにより黒鉛化度が上昇したためである．
4. 結言
ロングDCアークによりCH4を熱分解し，気体および固体生成物についての評価を行った．アーク電流値の増加により，分解率およびH2生成量が増加した．また，得られた固体炭素中に含まれるH原子は少なく，アーク電流値を操作することで結晶性の高い固体生成物を合成できることが明らかとなった．この知見をもとにロングDCアークによるナノ炭素材料合成への応用が期待される．
業績は修士論文をご覧ください。
