低品位シリカの熱プラズマ中インフライト還元による金属シリコン製造
キーワード:アークプラズマ,気中還元,金属シリコン,ナノシリコン,カーボンニュートラル
2022.04.
田中 学(たなか まなぶ) | データ更新日:2023.11.22 |
主な研究テーマ
革新的熱プラズマ発生装置の開発および内在する基礎現象の解明
キーワード:アーク放電現象,パワー半導体,変動現象,電極現象,可視化
2018.10.
キーワード:アーク放電現象,パワー半導体,変動現象,電極現象,可視化
2018.10.
アーク放電現象および電極現象の可視化
キーワード:アーク放電現象,変動現象,電極現象,可視化
2010.04.
キーワード:アーク放電現象,変動現象,電極現象,可視化
2010.04.
熱プラズマを利用したナノ材料合成プロセスの構築
キーワード:熱プラズマ,大気圧プラズマ,ナノ粒子合成,プラズマ化学
2006.04.
キーワード:熱プラズマ,大気圧プラズマ,ナノ粒子合成,プラズマ化学
2006.04.
従事しているプロジェクト研究
低品位シリカの熱プラズマ中インフライト還元による金属シリコン製造
2022.04~2023.03, 代表者:田中 学, 九州大学, NEDO 国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構
2050年カーボンニュートラル、脱炭素社会の実現に向けて、再生可能エネルギーの重要性が益々高まっている中で、大量の太陽光発電用高純度シリコンが必要となる見込みです。高純度シリコンの製造には、シリカ原料からの金属シリコン(MG-Si)の製造が最初のステップとなりますが、エネルギー多消費かつ二酸化炭素を排出するプロセスです。本研究では、熱プラズマの超高温を利用したインフライト水素還元プロセスの着目することで、エネルギー効率に優れる金属シリコン製造方法の確立を目指します。
従来技術である炭素電極アーク炉(電炉)では、一度還元されたシリコンが再び部分酸化されるなど、複雑な再循環の過程を経るためにエネルギー効率が低く、大量の二酸化炭素を排出する点が大きな課題点です。そこで本提案手法では、高温・高化学活性の熱プラズマ中でのインフライト処理に着目しました。数十~数百マイクロメートルのシリカ粉末を熱プラズマに投入することで、再循環の抑制、反応時間の短縮が可能となるため、エネルギー効率に優れ、CO2を排出しない革新的な金属シリコン製造方法が確立できると考えます。.
2022.04~2023.03, 代表者:田中 学, 九州大学, NEDO 国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構
2050年カーボンニュートラル、脱炭素社会の実現に向けて、再生可能エネルギーの重要性が益々高まっている中で、大量の太陽光発電用高純度シリコンが必要となる見込みです。高純度シリコンの製造には、シリカ原料からの金属シリコン(MG-Si)の製造が最初のステップとなりますが、エネルギー多消費かつ二酸化炭素を排出するプロセスです。本研究では、熱プラズマの超高温を利用したインフライト水素還元プロセスの着目することで、エネルギー効率に優れる金属シリコン製造方法の確立を目指します。
従来技術である炭素電極アーク炉(電炉)では、一度還元されたシリコンが再び部分酸化されるなど、複雑な再循環の過程を経るためにエネルギー効率が低く、大量の二酸化炭素を排出する点が大きな課題点です。そこで本提案手法では、高温・高化学活性の熱プラズマ中でのインフライト処理に着目しました。数十~数百マイクロメートルのシリカ粉末を熱プラズマに投入することで、再循環の抑制、反応時間の短縮が可能となるため、エネルギー効率に優れ、CO2を排出しない革新的な金属シリコン製造方法が確立できると考えます。.
ナノ粒子を用いた透明遮へい材の開発研究
2018.10~2021.03, 代表者:渡邉隆行, 九州大学, 文部科学省
燃料デブリの取り出しでは、ガンマ線とともに中性子の効果的な遮へいが必要となる。本事業では、燃料デブリ取り出しや分析における作業員の被ばく低減や遠隔カメラの光学系・電子系の劣化低減を目的として、中性子とガンマ線を同時に遮へいし、中性子から生じる二次ガンマ線も抑制する透明材料の開発を行う。
二次ガンマ線を抑制するために、可視光の波長の1/4以下(100 nm以下)のナノ粒子化したホウ素化合物を透明な樹脂に混入させることで、透明性を保ちつつ、中性子の遮へい、及び熱中性子の吸収により生成する二次ガンマ線の発生抑制に優れた透明遮へい材を開発する。また、重金属をナノ粒子化して可能な限り高密度で透明体に封入することにより、ガンマ線も同時に効果的に遮へいできる材料を開発する。.
2018.10~2021.03, 代表者:渡邉隆行, 九州大学, 文部科学省
燃料デブリの取り出しでは、ガンマ線とともに中性子の効果的な遮へいが必要となる。本事業では、燃料デブリ取り出しや分析における作業員の被ばく低減や遠隔カメラの光学系・電子系の劣化低減を目的として、中性子とガンマ線を同時に遮へいし、中性子から生じる二次ガンマ線も抑制する透明材料の開発を行う。
二次ガンマ線を抑制するために、可視光の波長の1/4以下(100 nm以下)のナノ粒子化したホウ素化合物を透明な樹脂に混入させることで、透明性を保ちつつ、中性子の遮へい、及び熱中性子の吸収により生成する二次ガンマ線の発生抑制に優れた透明遮へい材を開発する。また、重金属をナノ粒子化して可能な限り高密度で透明体に封入することにより、ガンマ線も同時に効果的に遮へいできる材料を開発する。.
ナノマテリアル量産化に向けた多相交流アークプラズマ装置の開発
2018.10~2021.03, 代表者:渡邉隆行, 九州大学, 経済産業省
ナノマテリアルの製造方法として、各種用途向けのものが開発されているが、生産量が産業応用には不十分であり、不安定品質、高コストなどの問題点がある。多相交流アークプラズマ法は機能性材料の大量合成に好適で、粒子成分組成に制限が少ないなどのメリットがある。本事業では、新規開発した多相交流アークの発生方法や電極構造の革新により、電池材料などのニーズの大きな産業用ナノ材料の生産プロセス確立を目指す。.
2018.10~2021.03, 代表者:渡邉隆行, 九州大学, 経済産業省
ナノマテリアルの製造方法として、各種用途向けのものが開発されているが、生産量が産業応用には不十分であり、不安定品質、高コストなどの問題点がある。多相交流アークプラズマ法は機能性材料の大量合成に好適で、粒子成分組成に制限が少ないなどのメリットがある。本事業では、新規開発した多相交流アークの発生方法や電極構造の革新により、電池材料などのニーズの大きな産業用ナノ材料の生産プロセス確立を目指す。.
月資源利用技術に関する研究
2016.10~2021.03, 代表者:渡邉隆行, 九州大学, 宇宙航空研究開発機構
月面基地建設に向けて,難還元性鉱物や月土壌の水素還元プロセスによる金属製造,それに伴う水,酸素の製造プロセスの開発を行い,それらの知見をもとに地上での高品質機能性材料の製造プロセスの開発を行う。今までにバッチ式の固定層および流動層を用いた月土壌シミュラントの水素還元の検討を行ってきたが,地上での事業化や月面での使用を考えると連続運転が必要となる。本研究では連続運転式の水素還元装置として,回転反応炉の検討および設計を行う。水素還元回転反応炉を用いた高品質機能性材料の製造として,酸素欠損型酸化物の格子欠陥制御の半導体素子の製造を行い,事業化に向けたプロセスを開発する。反応温度,反応圧力,反応時間によって酸素欠損 TiO2,WO3,ZnOの格子欠陥状態を制御して,電導性,磁性などの物性値を明らかにする。.
2016.10~2021.03, 代表者:渡邉隆行, 九州大学, 宇宙航空研究開発機構
月面基地建設に向けて,難還元性鉱物や月土壌の水素還元プロセスによる金属製造,それに伴う水,酸素の製造プロセスの開発を行い,それらの知見をもとに地上での高品質機能性材料の製造プロセスの開発を行う。今までにバッチ式の固定層および流動層を用いた月土壌シミュラントの水素還元の検討を行ってきたが,地上での事業化や月面での使用を考えると連続運転が必要となる。本研究では連続運転式の水素還元装置として,回転反応炉の検討および設計を行う。水素還元回転反応炉を用いた高品質機能性材料の製造として,酸素欠損型酸化物の格子欠陥制御の半導体素子の製造を行い,事業化に向けたプロセスを開発する。反応温度,反応圧力,反応時間によって酸素欠損 TiO2,WO3,ZnOの格子欠陥状態を制御して,電導性,磁性などの物性値を明らかにする。.
研究業績
主要原著論文
1. | Manabu Tanaka, Taro Hashizume, Koki Saga, Tsugio Matsuura, Takayuki Watanabe, Diode-rectified multiphase AC arc for the improvement of electrode erosion characteristics, Journal Physics D: Applied Physics, 10.1088/1361-6463/aa8cac, 50, 46, 2017.10, [URL], An innovative multiphase AC arc (MPA) system was developed on the basis of a diode-rectification technique to improve electrode erosion characteristics. Conventionally, electrode erosion in AC arc is severer than that in DC arc. This originated from the fact that the required properties for the cathode and anode are different, although an AC electrode works as the cathode and the anode periodically. To solve this problem, a separation of AC electrodes into pairs of thoriated tungsten cathode and copper anode by diode-rectification was attempted. A diode-rectified multiphase AC arc (DRMPA) system was then successfully established, resulting in a drastic improvement of the erosion characteristics. The electrode erosion rate in the DRMPA was less than one-third of that in the conventional MPA without the diode rectification. In order to clarify its erosion mechanism, electrode phenomena during discharge were visualized by a high-speed camera system with appropriate band-pass filters. Fluctuation characteristics of the electrode temperature in the DRMPA were revealed.. |
2. | Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Vaporization mechanism from Sn-Ag mixture by Ar-H2 Arc for nanoparticle preparation, Thin Solid Films, 10.1016/j.tsf.2007.11.096, 516, 19, 6645-6649, 2008.08, [URL], The purpose of this paper was to describe the synthesis of Sn-Ag nanoparticles by an arc plasma method. Sn-Ag nanoparticles have been successfully prepared by DC arc plasma with hydrogen addition. The prepared nanoparticles were characterized by X-Ray diffraction, transmission electron microscopy and inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry. The obtained results indicated that the nanoparticles have high-purity and spherical shape. The average diameter of the nanoaprticles with 100%-Ar arc was 19.8 nm and that with 50%-H2 arc was 56.5 nm. Another purpose of this work is to investigate the vaporization behavior from molten Sn-Ag mixture with Ar and Ar-H2 arc. We confirmed the vaporization enhancement of Sn from Sn-Ag mixture by hydrogen in arc plasma.. |
主要総説, 論評, 解説, 書評, 報告書等
1. | 田中 学, 渡邉 隆行, 熱プラズマを用いたナノ粒子の大量合成技術確立に向けて, 粉体工学会誌, https://doi.org/10.4164/sptj.56.459, 2019.08, [URL]. |
主要学会発表等
学会活動
所属学会名
International Plasma Chemistry Society
Division of Plasma Physics, Association of Asia Pacific Physical Societies
化学工学会
応用物理学会
プラズマ・核融合学会
学協会役員等への就任
2023.07~2025.06, PFR(Plasma Fusion Research)編集委員, 幹事.
2023.04~2025.03, 化学工学会誌 編集委員, 幹事.
2022.07~2024.06, プラズマ・核融合学会誌 編集委員, 幹事.
2019.04, 応用物理学会 プラズマエレクトロニクス分科会 若手チャプター幹事, 幹事.
2017.04~2019.03, 応用物理学会 プラズマエレクトロニクス分科会, 幹事.
2015.04~2017.03, 化学工学会 熱工学部会, 幹事.
学会大会・会議・シンポジウム等における役割
2023.09.11~2023.09.13, 化学工学会 第54回秋季大会, プラズマシンポ・シンポジウムオーガナイザー.
2023.05.21~2023.05.26, 25th International Symposium on Plasma Chemistry, Local Organizing Committee.
2023.05.20~2023.05.21, IPCS Summer School 2023, Chair.
2022.11.22~2022.11.25, プラズマ・核融合学会 第39回年会, オーガナイズドセッション幹事.
2022.08.03~2022.08.06, International Conference of Young Researchers on Advanced Materials (ICYRAM2022), Local Organizing Committee.
2022.08.03~2022.08.06, International Conference of Young Researchers on Advanced Materials (ICYRAM2022), Symposium Session Chair.
2021.11.22~2021.11.25, プラズマ・核融合学会 第38回年会, シンポジウムオーガナイザー.
2021.09.22~2021.09.24, 化学工学会 第52回秋季大会, シンポジウムオーガナイザー.
2019.09.23~2019.09.27, 18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE2019), Session Chair.
2019.01.15~2019.01.17, プラズマプロセシング研究会, 実行委員.
2017.09.20~2017.09.22, 化学工学会第49回秋季大会, シンポジウムオーガナイザー.
2016.12.17~2016.12.18, プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第20回支部大会, 現地実行委員.
2016.09.06~2016.09.08, 化学工学会第48回秋季大会, 座長(Chairmanship).
2016.08.07~2016.08.10, 20th International drying Symposium, 実行委員.
2015.09.09~2015.09.11, 化学工学会第47回秋季大会, 座長(Chairmanship).
2015.03.26~2015.03.31, 7th International Symposium on Advanced Plasma Science and Its Applications for Nitrides and Nanomaterials, Session Co-Organizer.
2014.09.17~2014.09.19, 化学工学会第46回秋季大会, 現地実行委員.
2014.09.17~2014.09.19, 化学工学会第46回秋季大会, 座長(Chairmanship).
2014.07.08~2014.07.11, International Conference on Microelectronics and Plasma Technology 2014, 座長(Chairmanship).
2014.03.18~2014.03.20, 化学工学会第79年会, 座長(Chairmanship).
2013.09.16~2014.09.18, 化学工学会第45回秋季大会, 座長(Chairmanship).
2011.10.29~2011.10.30, 日本機械学会 熱工学コンファレンス, 座長(Chairmanship).
2011.09.14~2011.09.16, 化学工学会第43回秋季大会, 座長(Chairmanship).
学術論文等の審査
年度 | 外国語雑誌査読論文数 | 日本語雑誌査読論文数 | 国際会議録査読論文数 | 国内会議録査読論文数 | 合計 |
---|---|---|---|---|---|
2022年度 | 13 | 0 | 50 | 0 | 63 |
2021年度 | 8 | 0 | 50 | 0 | 58 |
2020年度 | 8 | 0 | 20 | 0 | 28 |
2019年度 | 6 | 3 | 15 | 0 | 24 |
2018年度 | 6 | 3 | 30 | 0 | 39 |
2017年度 | 5 | 1 | 0 | 0 | 6 |
2016年度 | 5 | 0 | 0 | 0 | 5 |
2015年度 | 5 | 0 | 0 | 0 | 5 |
2014年度 | 3 | 0 | 0 | 0 | 3 |
2013年度 | 3 | 0 | 0 | 0 | 3 |
その他の研究活動
海外渡航状況, 海外での教育研究歴
Princeton Plasma Physics Labolatory, UnitedStatesofAmerica, 2023.03~2023.03.
Kunming University of Science and Technology, オンライン, Japan, 2022.04~2022.06.
University of Queensland, Australia, 2019.09~2019.09.
Jeju National University, Korea, 2016.06~2016.06.
University of Minnesota, UnitedStatesofAmerica, 2008.07~2008.12.
受賞
プラズマ・核融合学会 第37回年会 プラズマフォトイラストコンテスト優秀賞(最優秀賞), プラズマ・核融合学会 第37回年会, 2020.11.
プラズマ・核融合学会 第39回年会 プラズマフォトイラストコンテスト優秀賞(銀賞), プラズマ・核融合学会 第39回年会, 2022.11.
Junior Researcher Award, Japan Congress on High-Speed Imaging and Photography, 2017.11.
プラズマプロセシング研究会講演奨励賞, 公益社団法人 応用物理学会 プラズマエレクトロニクス分科会, 2017.01.
ISPC22 Poster Award, International Plasma Chemistry Society, 2015.07.
プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部大会 講演奨励賞, プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部, 2015.03.
化学工学会第44回秋季大会 粒子流体プロセス部会シンポジウム奨励賞, 化学工学会 粒子流体プロセス部会, 2012.09.
研究資金
科学研究費補助金の採択状況(文部科学省、日本学術振興会)
2022年度~2024年度, 基盤研究(C), 代表, 珪藻土由来ポーラスSi生成を実現するダイオード整流多電極アーク源の創成.
2019年度~2021年度, 基盤研究(C), 代表, 交流アークを用いた革新的長尺熱プラズマ流による大面積高速処理技術.
2019年度~2021年度, 基盤研究(B), 分担, ナノ混相プラズマ流の物理・化学現象解明に基づく環境浄化プロセスの開発.
2015年度~2017年度, 若手研究(B), 代表, 新規な熱プラズマ反応場「多相交流アーク」による非白金系触媒ナノ粒子の創製.
競争的資金(受託研究を含む)の採択状況
2021年度~2023年度, NEDO 官民による若手研究者発掘支援事業 マッチングサポートフェーズ, 代表, 低品位シリカの熱プラズマ中インフライト還元による金属シリコン製造.
2018年度~2019年度, 宇宙航空研究開発機構 宇宙探査イノベーションハブ, 分担, 難還元性酸化物の水素還元システムによる機能性材料の製造.
2018年度~2020年度, 経済産業省 戦略的基盤技術高度化支援事業, 分担, ナノマテリアル量産化に向けた多相交流アークプラズマ装置の開発.
2018年度~2020年度, 日本原子力研究開発機構 英知を結集した原子力技術・人材育成推進事業 課題解決型廃炉研究プログラム, 分担, ナノ粒子を用いた透明遮へい材の開発研究.
2016年度~2016年度, JAXA宇宙探査イノベーションハブ, 分担, 月土壌の水素還元システムの構築 -低品位原料の工業的利用を目指して-.
学内資金・基金等への採択状況
2020年度~2022年度, SENTAN-Q, 代表, Thermal Plasma Industrialization from Plasma Chemical Engineering.
2018年度~2019年度, 工学研究新分野開拓助成, 代表, 交流アークを用いた超長尺熱プラズマジェット流の開発と大面積基板処理への応用.
2017年度~2017年度, エネルギー研究教育機構 若手研究者・博士課程学生支援プログラム, 代表, 新規な熱プラズマ場「多相交流アーク」中の電極蒸気を原料とした燃料電池触媒として用いる遷移金属酸窒化物ナノ粒子の創製.
2015年度~2015年度, 工学研究院若手研究者助成, 代表, 新規な熱プラズマ発生手法を用いた機能性窒化物ナノ粒子の創製.
2014年度~2014年度, 工学研究院若手研究者助成, 代表, 多相交流アークの電極現象の解明.
本データベースの内容を無断転載することを禁止します。
九大関連コンテンツ
QIR 九州大学学術情報リポジトリ システム情報科学研究院
工学部・工学研究院
- A Proposal on Road Evaluation Method Considering the Effect of Shortening Emergency Medical ...
- Study on Station Square Development at Hub Stations
- Feasibility and Quantification Analysis of Floodwater Utilization
- The Critical Behavior of 1-dimensional Spin System with Infinite Long-range Interaction ...
- A Comparison of Analysis Methods for Estimating Directional Wave Spectrum from HF Ocean Radar