Kyushu University Academic Staff Educational and Research Activities Database
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Takayuki Watanabe Last modified date:2020.06.25

Professor / Product System Engineering
Department of Chemical Engineering
Faculty of Engineering


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Homepage
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Thermal plasmas have attracted extensive attention due to their unique advantages, and it is expected to be utilized for a number of industrial applications such as plasma spraying, film deposition, decomposition of harmful materials, recovery of useful materials from wastes, and synthesis of high-quality and high-performance nanoparticles. The advantages of thermal plasmas including high enthalpy to enhance reaction kinetics, high chemical reactivity, and oxidation or reduction atmospheres in accordance with required chemical reactions are beneficial for innovative processing. .
Phone
092-802-2745
Fax
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Academic Degree
Dr. of Engieering
Country of degree conferring institution (Overseas)
No
Field of Specialization
Plasma Chemistry, Plasma Processing
Total Priod of education and research career in the foreign country
00years10months
Outline Activities
Thermofluid and Heat Transfer Phenomena in Thermal Plasma System
Environmental Processing using Plasma Chemistry
Nanomaterial Synthesis using Thermal Plasmas
Green Process using Atmospheric Plasmas
Next Generation Energy System Development
Lunar Resources Utilization
Research
Research Interests
  • Thermofluid and Heat Transfer Phenomena in Thermal Plasma System
    Environmental Processing using Plasma Chemistry
    Nanomaterial Synthesis using Thermal Plasmas
    Green Process using Atmospheric Plasmas
    Next Generation Energy System Development
    Lunar Resources Utilization
    keyword : Thermal plasma, Atmospheric Plasma, Nanoparticle Synthesis, Waste Treatment, Plasma Chemistry, Plasma Processing
    2013.04~2023.03.
Academic Activities
Papers
1. Xiaoyu Zhang, Ririko Hayashida, Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Synthesis of Carbon Coated Silicon Nanoparticles by Induction Thermal Plasma for Lithium Ion battery, Powder Technology, 10.1016/j.carbon.2018.10.062, 371, 26-31, 2020.06.
2. Hirotaka Sone, Shuhei Yoshida, Manabu Tanaka, and Takayuki Watanabe, Thermal Plasma Synthesis and Electrochemical Properties of High-Voltage LiNi0.5Mn1.5O4 Nanoparticles, Materials Research Express, 10.1088/2053-1591/ab5f2e, 7, 015015, 2019.12, [URL], 熱プラズマを高温反応場として活用する材料プロセスが注目されている.高周波熱プラズマによるナノ粒子の材料合成は,無電極放電のため電極からの汚染を防ぐことが可能である.また,合成中の雰囲気制御の選択,異なる元素化合物の合成および高純度材料の製造など,多くの利点を有している.
リチウムイオン二次電池は高エネルギー密度の向上が望まれている.高エネルギー密度の向上の研究として正極・負極材料の元素選定,結晶構造の選定および粒子径の改良が多数報告されている.しかしながら,その多くは液相法や固相法による合成例である.一般的に液相法および固相法は,組成の制御が容易であるという利点を持っているが,不純物の混入が避けられず,電池容量の変動および高純度のナノ粒子合成に課題がある.そこで本研究では,数ミリ秒の短時間合成および純度の高いナノ粒子の合成プロセスである高周波熱プラズマを用い,リチウムイオン二次電池の正極・負極材料ナノ粒子の合成を行い,その特性および生成機構について解明することを目的とした..
3. Naoki Sakura, Masaki Yoshida, Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Investigation of erosion mechanism of tungsten-based cathode in Ar-N2 DC arc, Journal of Physics D: Applied Physics, 10.1088/1361-6463/ab3139, 52, 40, 404002, 2019.07, Direct current arc has been used in a wide industrial field. Reducing in cathode erosion is an important issue for process cost reduction, however the erosion mechanism under molecular gas as plasma supporting gas has not been clarified yet. The purpose of this research is to elucidate the erosion mechanism of tungsten based cathodes in atmospheric pressure Ar-N2 DC arc. The metal vapor generated from the cathode surface was successfully visualized by a high speed camera system with a pair of band pass filters. Combing the visualization with the cahtode temperature measurements provides the tungsten vapor evaporation mechanism; tungsten vapor was generated not from the high temperature part of the cathode tip but from the peripheral part. The arc temperature measurement confirmed that ionization of tungsten atoms in the high-temperature region of the arc caused to this characteristic distribution of tungsten vapor. These findings advance the understanding of such electrode phenomena leading to increased use time of the electrode, and as a result the industrial use of N2 arcs is expected to expand..
4. Manabu Tanaka, Taro Hashizume, Koki Saga, Tsugio Matsuura, and Takayuki Watanabe, Diode-Rectified Multiphase AC Arc for Improvement of Electrode Erosion Characteristics, Journal of Physics, D: Applied Physics, https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa8cac, 50, 46, 465604, 2017.10.
5. Feng Liang, Manabu Tanaka, Sooseok Choi, Takayuki Watanabe, Formation of Different Arc-Anode Attachment Modes and their Effect on Temperature Fluctuation for Carbon Nanomaterial Production in DC Arc Discharge, Carbon, https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.02.084, 117, 100-111, 2017.06.
6. Feng Liang, Manabu Tanaka, Sooseok Choi, Takayuki Watanabe, Investigation of the relationship between arc-anode attachment mode and anode temperature for nickel nanoparticle production by a DC arc discharge, Journal of Physics D: Applied Physics, 10.1088/0022-3727/49/12/125201, 49, 12, 2016.02, Multiple and constricted arc-anode attachment modes were observed in helium arc discharge to prepare nickel nanoparticles. The electron overheating instability resulted in the formation of multiple attachment modes. The effects of hydrogen concentration and shield gas flow rate on the characteristics of nickel nanoparticles were investigated. The evaporation rate of anode material contributed to forming different arc-anode attachments. The surface temperature of the electrode was measured during the arc discharge by two-color pyrometry combined with a high-speed camera which employs appropriate band-pass filters. The relationship between the arc-anode attachment mode and the temperature behavior of the anode surface was investigated by using two synchronized high-speed cameras. The waveform of anode jet area variation with time follows that of the highest temperature variation of anode surface with time. The fluctuation of the highest anode temperature increased when the arc anode attachment changed from multiple into constricted mode. The highest temperature fluctuation and stability of the arc contributed to nanoparticle size distribution. Nickel nanoparticles with large productivity and narrow size distribution were obtained when shield gas was employed by controlling the residence time of nanoparticle growth. The formation mechanism of different arc-anode attachment modes was explained..
7. Takayuki Watanabe, Yaping Liu, Tanaka Manabu, Investigation of Electrode Phenomena In An Innovative Thermal Plasma for Glass Melting, Plasma Chemistry and Plasma Processing, http://dx.doi.org/10.1007/s11090-014-9530-8, 34, 3, 443-456, 2014.04.
8. Yaochun Yao, Takayuki Watanabe, In-Flight Melting Bahavior of Grannulated Alkali-Free Raw Material in Induction Thermal Plasmas, Plasma Chemistry and Plasma Processing, http://dx.doi.org/10.1007/s11090-013-9490-4, 33, 6, 1111-1119, 2013.12.
9. TianMing Li, Takayuki Watanabe, Kaoru Ochi, Koji Ohtsuki, Liquid waste decomposition by long DC arc under atmospheric pressure, Chemical Engineering Journal, 10.1016/j.cej.2013.07.003, 231, 152-162, 2013.09.
Presentations
1. Takayuki Watanabe, Thermal Plasma Characterization and Process Control Diagnostics for Innovative Material Processing, The 11th Asia-Pacific International Symposium in the Basics and Applications of Plasma Technology, 2019.12, [URL].
2. Hiroki Munekata, Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Discharge Characteristics of Water Plasma with Mist Generation, 24th International Symposium on Plasma Chemistry, 2019.06, [URL], 本研究では水プラズマを用いて,従来のプロセスでは処理できない難分解物質を処理する方法を開発している。水プラズマ中には電子のみならずイオンや原子などの重い粒子も高温度であり,かつ各種のラジカルを豊富に有しており,処理対象物質を短時間で高温にすることができる。プラズマ中のラジカルによる新規の廃棄物処理として,ゴミから水素を製造するプロセス開発を行っている。.
3. Takayuki Watanabe, Shuhei Yoshida, Tadashi Nonaka, Takahiro Sone, and Manabu Tanaka, Oxide Nanoparticle Synthesis by Thermal Plasmas for Lithium Ion Battery Electrode, The 4th Annual Symposium of Nonferrous Metallurgy of China, 2017.11, リチウムイオン電池の負極材料としては,グラファイトの10倍以上の理論容量を有していることからシリコンが期待されているが,シリコンの使用に関連する課題として充放電時の体積変化の問題がある。この課題を解決するアプローチとして,熱プラズマによるアモルファスシリコンやカーボン被覆シリコンナノ粒子の合成が期待されている。一方,正極材料は高エネルギー密度,良好なサイクル特性,安全性,低コストなどが要求課題となっており,正極材料をナノ粒子化することで比表面積が増大することから反応速度の向上が見込まれ,この分野でも熱プラズマによる正極材料ナノ粒子の合成が期待されている。本論文ではではリチウムイオン電池の現状と将来展望をはじめとし,熱プラズマによるナノ粒子合成の特徴を議論し,今後のリチウムイオン電池の材料開発における熱プラズマの役割を議論した。.
4. Takayuki Watanabe, Thermal Plasma Processing for Lithium Ion Battery Application, The 4th International Symposium on Hybrid Materials and Processing, 2017.11, リチウムイオン電池には,高容量化と高出力化による航続距離と充電速度に対する高性能化が求められており,負極材料としては,グラファイトの10倍以上の理論容量を有していることからシリコンが期待されているが,シリコンの使用に関連する課題として充放電時の体積変化の問題がある。この課題を解決するアプローチとして,熱プラズマによるアモルファスシリコンやカーボン被覆シリコンナノ粒子の合成が期待されている。一方,正極材料は高エネルギー密度,良好なサイクル特性,安全性,低コストなどが要求課題となっており,正極材料をナノ粒子化することで比表面積が増大することから反応速度の向上が見込まれ,この分野でも熱プラズマによる正極材料ナノ粒子の合成が期待されている。本論文ではではリチウムイオン電池の現状と将来展望をはじめとし,熱プラズマによるナノ粒子合成の特徴を議論し,今後のリチウムイオン電池の材料開発における熱プラズマの役割を議論した。.
5. Takayuki Watanabe, Yutaro Ozeki, and Manabu Tanaka, Thermal Plasma Characterizations for Environmental Application, The 11th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering, 2017.09, 水プラズマは水を原料としてプラズマを発生させる手法である.豊富なH,O,OHラジカルによる高活性およびプラズマの持つ高エンタルピーという特長から,物質の大量処理を見込んだ廃棄物処理技術への応用が検討されている..
6. Takayuki Watanabe, Taro Hasgizume, Tomoyuki Imatsuji, Tanaka Manabu, High-Speed Visualization of Thermal Plasma Characteristics, 31st International Congress on High-Speed Imaging and Photonic, 2016.11, プラズマ流はその複雑な現象に由来する計測の難しさがあり,可視化には限界があった。最近は高速度カメラとバンドパスフィルターを組み合わせることによって,高輝度のアーク中の移動現象を非接触で定量的な計測が可能なシステムが開発されており,様々な分野で有力な研究・開発手段として活用されるようになっている。この新領域研究会においては,反応性熱流体であるプラズマ流の移動現象やプラズマプロセッシングの反応過程を解明することを目的とした。.
7. Takayuki Watanabe, Water Thermal Plasmas for Environmental Application, The 10th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering, 2015.09, 水プラズマは水を原料としてプラズマを発生させる手法である.豊富なH,O,OHラジカルによる高活性およびプラズマの持つ高エンタルピーという特長から,物質の大量処理を見込んだ廃棄物処理技術への応用が検討されている..
8. Takayuki Watanabe, Multi-Phase AC Arc for Innovative Glass Melting, 13th European Plasma Conference, 2014.06, プラズマプロセッシングの開発には電極におけるアークの物理現象の解明が重要である。新しいプラズマプロセッシングのために開発した新規の多相交流アークに関する招待講演を行った。このプラズマは直径が100 mm以上のアークを発生することができ,エネルギー効率が高いことが利点である。.
9. Takayuki Watanabe, Innovative Thermal Plasma Processing from Fundamental Research, 21st International Symposium on Plasma Chemistry, 2013.08, プラズマプロセッシングの開発には電極におけるアークの物理現象,新規のプラズマ発生方法,プラズマの流体解析等の基礎研究が必須である。これらの基礎研究に基づく新しいプラズマプロセッシングの開発に関する基調講演を行った。新規のガラス溶融技術として注目されているインフライト溶融技術は,造粒したガラス原料を熱プラズマ中で瞬時に溶解する方法である。このインフライト溶融は,シーメンス炉の複雑な原料溶解過程を一本の熱プラズマで置き換えてしまう方式であり,この技術が成功すれば大半のガラス製造プロセスに適用することが可能となり,溶融炉の大幅な小型化と消費エネルギーの大幅な削減ができる。.
Membership in Academic Society
  • International Plasma Chemistry Society
  • The Japan Society of Applied Physics
  • The Society of Chemical Engineers, Japan
  • The Japan Society of Mechanical Engineers
  • The Japan Society of Plasma Science and Nuclear Fusion Research
  • The Society of Inorganic Materials, Japan
  • Smart Processing Society for Material, Environment & Energy
Awards
  • Development of innovative plasma processing and establishment of plasma analysis
  • Waste Treatment by Plasmas under Atmospheric Pressure
  • Modeling of plasma flows
Educational
Educational Activities
fundamental Physics IA for Freshman, Fundamental Fluid Dynamics and Chemical Engineering Fluid Dynamics in Undergraduate school. Environmental Fluid Transport Phenomena in Graduate school.