エネルギー高効率利用のための燃焼技術・熱設計技術

研究テーマ

• エネルギー機器における伝熱（接触熱抵抗ほか）
• 高圧気体の燃焼機構、保炎条件、および安全工学の研究
• 固体、粗悪液体燃料の燃焼・ガス化機構、高粘度液体の噴霧
• 再生可能エネルギー（バイオマス等）の高度エネルギー変換

主な研究内容・成果

①高圧噴流拡散火炎の着火および保炎機構の解明

ロケット，ボイラー，ガスタービン等のほとんど全ての燃焼器では，加圧した燃料を噴出して燃焼を継続させる．また，注目されている水素ステーションには1000気圧程度の高圧水素が備蓄されており，地震などのアクシデントでそれが噴出した場合の現象は，完全に予測しておく必要がある．高圧気体が周囲の空気と混合して着火する部分では，噴出条件によって決まる混合乱流スケール（波数），流速，化学反応速度の相関で保炎の可否，および保炎位置が決まることが見い出された．

②接触熱抵抗の解明

接触している2つの固体の接触面を通して熱が流れるとき，その接触面におけるそれぞれの固体の表面温度は等しくならず温度が見かけ上不連続になり，熱移動が阻害されます．コンピュータのCPUの高出力化や原動機の冷却など，この接触熱抵抗を減少させることが求められます．太陽から強烈な輻射を受ける人工衛星では真空中なので対流伝熱が無いため，接触熱抵抗の減少は大きな課題です．下図は宇宙空間の熱抵抗の問題を視野に入れ，雰囲気圧力と接触熱抵抗の関係を実験的に計測した例を示します．高真空では分子同士の衝突は無視できる完全な分子流になりますが，圧力が増加するに従い，分子同士の衝突，すなわち分子拡散が始まり，圧力依存性が見られなくなります

③草本系バイオマスのガス化における共存ガスの影響

再生可能エネルギーとして期待されるバイオマスの利用促進には，ガス化や液化による減容化が必須とされる．これまでの研究における熱分解やガス化反応速度の計測および解析はで，共存ガスの影響が考慮されていないが，特に部分酸化ガス化炉では燃焼によって生じたCO2が常に高濃度で共存している．そこで，バイオマスの熱分解をCO2の存在下で行わせ，生成したチャーの性状を調べると共に，そのチャーのガス化反応性を調べた． その結果，バイオマスチャー作製をCO₂雰囲気で行う事で，反応率が低い低温範囲からガス化反応が起こり易いチャーが生成すること，また，乾留条件（温度および共存CO2の濃度）を変化させて作製したチャーのラマン分光スペクトル，および炭素の欠陥構造の尺度であるGピークとDピークの強度より，共存CO2によるチャー炭素構造に変化は見られず，低温反応性の違いは官能基に依存するものと推定された．

高効率電池開発に向けた電極触媒素材の微視的研究

研究テーマ

• ナノカーボンの合成と制御
• 表面局所構造（欠陥、ドメイン境界）のナノレベル評価
• ナノスケールの化学・電極反応のその場観察

主な研究内容・成果

①高品質グラフェン合成と新規合成法の提案

自作の大気圧熱化学気相成長（CVD）装置を用いた合成条件の精密な制御により、グラフェンのドメインサイズを制御。グラフェンのCVD合成時におけるH2ガス導入量を調整（0 ～ 70 sccm）することにより、グラフェンの核生成速度と結晶成長速度およびグラフェンエッジのエッチング速度のバランスを制御（図(a)）し、ミリサイズの単結晶合成に成功（図(b)）。

Cu基板上へのTa板を用いたマスクによる簡便な大面積の単結晶グラフェン合成法を提案した。Cu基板上にTaマスクを設置することで、基板上の活性炭素や吸着水素量を調整し、3ミリサイズの単結晶グラフェンの合成に成功。

②垂直配向カーボンナノチューブを用いた高静電容量電気二重層キャパシタ電極の提案

高い静電容量を有する電気二重層キャパシタ(EDLC)用のカーボンナノチューブ(CNT)/グラファイト複合電極の作製に成功。
表面形状をプラズマエッチングにより修飾した高配向熱分解グラファイト（HOPG）上に、アルコール触媒CVDにより垂直配向CNTを成長させることに成功。合成した垂直配向CNT/HOPG複合電極は、未修飾のグラファイト電極と比較して約8倍の静電容量を示した。

③Fabrication of graphitic carbon via metal-induced low-temperature graphitization of carbon

Metal-catalyzed graphitization of hard carbon is a process where salts of transition metals (e.g., Fe, Ni, Co) are added to hard carbon precursors, enabling them to convert into graphitic structures at significantly lower temperatures (typically <1000 °C) compared to thermal graphitization (>2500 °C). This technique enhances electrical conductivity and crystallinity, both of which are crucial for catalytic applications. We aim to achieve controllable metal-catalyzed graphitization at temperatures <800 °C using citric acid as the carbon precursor and nitrates of Co, Fe, and Ni as metal precursors, and to check their applicability in ammonia (NH₃) synthesis. Figures (a) and (b) show the transmission electron microscopy images of a Ba-promoted Co catalyst and a K-promoted Fe catalyst fabricated by pyrolyzing the xerogels obtained from the sol-gel method at 600 °C. Fe shows better catalysis in obtaining graphitic carbon.

電池の高性能化に向けたイオン伝導性セラミックスの研究

研究テーマ

• 配向制御によるイオン伝導性向上　～伝導異方性の利用
• 高速フッ化物イオン伝導性セラミックスの開発
• 固体内イオン伝導機構の解明

主な研究内容・成果

①酸化物イオン伝導性セラミックスの結晶配向制御に関する基礎的研究

異方伝導性を最大限に活かすため、結晶の向きを揃えたイオン伝導性セラミックスの合成法を検討している。具体的には、中温域作動型SOFC用の電解質の候補材料であり、 c 軸方向に高い酸化物イオン伝導性を示すアパタイト型ランタンシリケート（LSO）に着目している。新しい概念を導入した発展型の反応性テンプレート粒成長法によりc軸配向LSOセラミックスを実現すべく、Reactive substrateとして石英ガラス基板を使用した基礎的研究を始め、基板上にc軸自己配向LSO薄膜が形成することを見出した。

エネルギー貯蔵燃料の再生に向けた金属クラスター触媒の開発研究

研究テーマ

• 担持型金属ナノクラスターの創製と触媒機能
• サブナノサイズの金属クラスターの創製と触媒機能

主な研究内容・成果

①担持型金属ナノクラスターの創製と触媒機能

表面構造制御された炭素ナノ繊維(CNF)に対し有機金属錯体の穏和な分解反応を適用することで，ナノサイズの金属クラスター(Ru, Rh, Ir, Pd, Pt)の精密担持に成功．これらは芳香環やニトロ基，アルケン等の多重結合の水素化反応において，市販の活性炭担持触媒と比較して高い活性や繰返し耐久性を示す．
また，窒素官能基を導入した含窒素CNFや活性炭を担体として用いることで，金属／窒素比により触媒活性の制御と化学選択性の飛躍的向上を実現．

②サブナノサイズの金属クラスターの創製と触媒機能

市販の活性炭担持触媒や金属錯体などにヒドロシランを作用させることで，TEMで観測できない微小な可溶性金属クラスターが発生することを見出した．この可溶性クラスターはヒドロシランを用いたアミドの脱酸素型還元やエステルの部分還元，さらに従来の触媒では困難であったt-Bu基の触媒的脱保護反応に高活性を示す．