熱プラズマシステムにおける熱流動および伝熱解析
プラズマ化学による環境浄化プロセスシステムの構築
熱プラズマによるナノマテリアル合成システムの構築
大気圧プラズマによるグリーンプロセスの開発
次世代エネルギーシステムの開発
月資源利用技術の開発
キーワード：熱プラズマ，大気圧プラズマ，ナノ粒子合成，廃棄物処理，プラズマ化学，プラズマプロセッシング
2013.04～2025.03.

冶金エネルギー産業融合開発
2021.01～2025.12, 代表者：Ma Wenhui, 昆明理工大学, 中国
プラズマを用いた冶金プロセスの開発.

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
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。.

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
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。.

月資源利用技術に関する研究
2016.04～2021.03, 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。.

主要著書

1.	渡邉 隆行, 粉体の表面処理・複合化技術集大成, テクノシステム, p.169-176, 2018.07.
2.	渡邉 隆行, プラズマ産業応用技術－表面処理から環境，医療，バイオ，農業用途まで－, シーエムシー出版, p.34-４０, 2017.07.
3.	渡邉 隆行, 大気圧プラズマ反応工学ハンドブック, エヌ・ティー・エス, p.129-144, 2013.07.

主要原著論文

1.	Soon-Ho Kim, Manabu Tanaka, Myeong-Hoom Lee, Takayuki Watanabe, Enhanced Decomposition of Caffeine by Water Plasma Combined with Mist Generator, Chemosphere, 10.1016/j.chemosphere.2022.136056, 307, 3, 136056, 2022.11, カフェイン廃水の分解にミスト発生装置と組み合わせた水プラズマを導入した。ミスト状の水分子を直接プラズマ形成ガスとして使用し、追加ガスを使用しなかった。カフェインの分解に及ぼすアーク電流の影響を詳細に解明した。アーク電流に応じて投入電力を0.8kWから1.1kWに増加させると、全有機炭素とカフェインの除去効率は増加し、9.5Aでそれぞれ91.1%と99.8%に達した。H2、CO、CO2、N2が主な排水ガス種であり、そのうちH2の発生量はすべての条件で40%以上であった。このプロセスで同定された11種類の中間生成物から、詳細な分解経路を推定し，電子衝撃と ヒドロキシルラジカルがカフェインの分解において主要な役割を果たすことがわかった。.
2.	Chengyuan Duan, Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Treatment of Pyridine in Industrial Liquid Waste by Atmospheric DC Arc Plasma, Journal of Hazardous Materials, 10.1016/j.jhazmat.2022.128381, 430, 15, 128381, 2022.05, ピリジンは毒性が強い塩基性複素環化合物で、工業プロセスから排出される廃液中に広く見出されている。新規ミスト型水熱プラズマトーチを用いて、高濃度ピリジンの処理方法を開発した。分解率およびTOC除去率はすべての条件で94%以上、最大エネルギー効率は約23g/kWhに達した。5,500〜7,500Kの高温では、ピリジン中の95%以上の炭素が有価ガス生成物に変換され、液体副生物としてギ酸および酢酸が少量観測された。これらの実験結果に基づき、高温領域と下流領域における詳細な分解機構をそれぞれ考察した。水プラズマは、生分解性のない産業廃液の処理に大きな可能性を示している。.
3.	Xiaoyu Zhang, Yiran Wang, Byeongil Min, Eri Kumai, Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, A controllable and Byproduct-free Synthesis of Carbon-Coated Silicon Nanoparticles by Induction Thermal Plasma for Lithium Ion Battery, Advanced Powder Technology, https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.06.003, 32, 8, 2828-2838, 2021.08, 炭素で被覆されたシリコンナノ粒子は、次世代のリチウムイオン電池の負極材料として有望視されているが、費用対効果に優れ、環境に優しい調製法の開発は未だ困難であり、実用化の妨げとなっている。本研究では、アモルファス水素化炭素コーティングを施したシリコンナノ粒子の調製のために、制御可能で副生成物のない合成法を開発した。プラズマ特性は、プラズマシースガスを構成する接線方向ガス流量と半径方向ガス流量の比を調整することにより調整可能である。従来の問題であったSiCの生成は、接線方向ガス流量を大きくすることで消失し、電池用シリコン負極の容量が向上することが予測される。これらの成果は，プラズマ合成プロセスを深く理解し、優れた性能を持つ電池を設計するために重要である。.
4.	Xiaoyu Zhang, Byeongil Min, Yiran Wang, Ririko Hayashida, Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Preparation of Carbon-Coated Silicon Nanoparticles with Different Hydrocarbon Gases by Induction Thermal Plasma for Lithium Ion Battery, The Journal of Physical Chemistry C, https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c03209, 25, 28, 15551-15559, 2021.07, シリコンは非常に高い充電容量を持つため、グラファイトに代わるリチウムイオン電池の負極材として有望視されている。しかし、充電時の体積膨張が大きく、安定性に大きな問題がある。この問題を解決し、シリコン負極の実用化を促進するために、保護膜でコーティングされたシリコンナノ粒子は信頼性が高い。本研究では、高周波熱プラズマを応用して、アモルファス水素化炭素コーティングを施したシリコンナノ粒子を合成し、追加の炭素源の影響を調べた。副生成物の生成を制限するために、炭化水素の新規かつ簡便な注入方法を導入した。カーボンコーティングの厚さは、炭化水素ガス流量が多いほど2〜8 nmの範囲となり、シリコン粒子の平均直径は約70 nmと一定であった。sp2比やH含有量などのカーボンコーティングの特性は調整可能であり、カーボンソースの熱分解メカニズムが重要な要因であると考えられている。また、豊富な炭素と水素ラジカルを放出したグラフェンフレークも得ることができる。材料の特性評価から、アセチレンは炭素コーティングを調製するためのより良い候補物質とみなされている。以上の結果は、次世代リチウムイオン電池の設計に重要な意味を持つと考えられる。.
5.	Junya Matsuno, Akira Tsuchiyama, Takayuki Watanabe, Manabu Tanaka, Aki Takigawa, Satomi Enju, Chiyou Koike, Hiroki Chihara, and Akira Miyake, Condensation of Glass with Multimetal Nanoparticles: Implications to a Formation Process of GEMS Grains, The Astrophysical Journal, 10.3847/1538-4357/abe5a0, 911, 1, 47, 2021.04, [URL], 惑星間塵粒子には、太陽系を構成する元素のひとつと考えられている金属・硫化物内包ガラス（GEMS）粒子が含まれている。GEMS粒子が凝縮過程で形成されることを調べるために、Si-Mg-Fe-Al-Ca-Ni-O系とMg-Si-Fe-Ca-Al-Na-O系で誘導加熱プラズマ炉を用いた凝縮実験を行った。すべての実験において、直径100nmの非晶質ケイ酸塩粒子が凝縮した。鉄は、酸化的実験の多くで微細なマグネタイト粒を、中間の酸化還元条件下では10 nmの金属粒を、還元的実験の多くでは30～100 nmのFeケイ化物粒を形成した。中間の酸化還元条件下では、いくつかの非晶質ケイ酸塩粒子は、FeSを除いてGEMS粒子に非常によく似たテクスチャを持つ複数のFe包有物を示し、GEMSが高温ガスの凝縮によって形成される可能性を示した。.
6.	Xiaoyu Zhang, Zishen Liu, Manabu Tanaka, and Takayuki Watanabe, Formation Mechanism of Amorphous Silicon Nanoparticles with Additional Counter-Flow Quenching Gas by Induction Thermal Plasma, Chemical Engineering Science, 10.1016/j.ces.2020.116217, 230, 116217, 2020.12, [URL], The fabrication process of amorphous silicon nanoparticles by induction thermal plasma was studied by experiments and numerical simulation. Additional quenching gas was introduced as counter-flow to plasma flame tail for an effective synthesis of amorphous phase, and the flow rate was determined to range from 0 to 70 L/min to understand the effect on the prepared products. Amorphous silicon nanoparticles were confirmed by electronic diffraction analysis with random shapes and serious agglomerate, while the crystal particles have a totally different morphology which are spherical and freestanding. The ratio of amorphous silicon increased with quenching gas flow rate, and the reliability was verified by comparison between XRD and Raman results. The quenching rate increased from 3.2x104 to 8.9x105 K/s with quenching gas flow rate and was insufficient for the formation of amorphous silicon. The enhanced fabrication of small nanoparticles (˂ 5 nm) with quenching gas injection was demonstrated as the reason of increased amorphous silicon ratio, which suggested the formation of amorphous silicon by thermal plasma is controllable..
7.	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．.
8.	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, [URL], 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..
9.	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, 10.1016/j.carbon.2017.02.084, 117, 100-111, 2017.06, [URL], A direct current (DC) has been applied to prepare many carbon nanomaterials, including fullerene, graphene, and carbon nanohorns (CNHs) from inner wall of chamber. However, the growth mechanism of these carbon nanomaterials is not clear. Amorphous spherical carbon nanoparticles (SCNs), the typical ‘dahlia-like’ CNHs, and graphene with the layer numbers of 2e5 were synthesized controllably from the inner wall of the chamber by DC arc discharge method using argon, nitrogen, and hydrogen as buffer gas. Simultaneously, the effect of buffer gas pressure on the morphology of carbon nanomaterials was investigated systematically. Furthermore, the formation mechanism of these carbon nanomaterials by DC arc discharge was also investigated. Given that argon atom was difficult to bond with the carbon cluster, the random bond between carbon clusters contributed to combine into amorphous SCNs; the CeN bond was the key factor in the formation of CNHs, and hydrogen contributes to form graphene sheets by terminating carbon dangling bonds. With increasing the pressure of buffer gas, intense quenching resulted in formation of carbon nanomaterials with high purity. The study on the growth mechanism of carbon nanomaterials in the inner wall of chamber promotes the preparation of carbon nanomaterials controllable by arc discharge method..
10.	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, [URL], 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..
11.	Takayuki Watanabe, Yaping Liu, Tanaka Manabu, Investigation of Electrode Phenomena In An Innovative Thermal Plasma for Glass Melting, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 10.1007/s11090-014-9530-8, 34, 3, 443-456, 2014.04, [URL], A multi-phase alternating current (AC) arc has been applied to glass melting technology. The large volume discharge produced by a stable multi-phase AC arc is preferable to melt the granulated glass materials. The discharge behavior and the hightemperature region of the plasma can be controlled by the electrode configurations. In this study, the spatial characteristics of the arc discharge were examined by image analysis of high-speed camera. Results show arc existence area is related with electrode configuration. This study provides the useful information of efficient particle treatment in the preferred electrode configuration. However, the electrode erosion is one of the most considerable issues to be solved. The combination of high-speed video camera and band-pass filters was introduced to measure the electrode temperature to investigate the erosion mechanism of the multi-phase AC arc. The dynamic behavior of the electrode vapors in the arc was investigated by using the same high-speed camera system. Results show the tungsten electrode mainly evaporates at the anodic period during AC cycle..
12.	Yaochun Yao, Takayuki Watanabe, In-Flight Melting Bahavior of Grannulated Alkali-Free Raw Material in Induction Thermal Plasmas, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 10.1007/s11090-013-9490-4, 33, 6, 1111-1119, 2013.12, [URL], A new in-flight glass melting technology with induction thermal plasmas was developed to reduce the energy consumption and the emissions of greenhouse gases for glass production. The effects of carrier gas on the in-flight melting behavior of granulated alkali-free raw material were investigated by various modern analyses. Results show that the particles have smooth spherical surface and compact structure after heat treatment. As the carrier gas flow rate increases, the vitrification degree decreases and the average diameter increases. Higher vitrification results in more shrinkage of particle. The carbonates in raw material decompose completely during in-flight melting. The highest volatilization of B2O3 is attributed to more heat transferred from plasmas to particles at the lowest carrier gas flow rate..

主要総説, 論評, 解説, 書評, 報告書等

1.	田中学, 渡辺隆行, 革新的な機能性材料プロセスと廃棄物処理手法の確立, 電気学会誌, 10.1541/ieejjournal.140.358, 140 (6), p.358-361, 2020.06, [URL], 産業界では，アーク溶接・切断，プラズマ溶射などの分野において，熱プラズマ技術が古くから用いられている。それに対して，ナノ粒子などの機能性材料プロセスへの応用や，廃棄物処理プロセスへの展開は，既に実用化が進んでいるが，今後飛躍的な発展も可能な段階にきている。その鍵を握るのは，最新の計測技術に基づく基礎現象の解明である。 本稿では，新規な熱プラズマ発生技術である多相交流放電アークを用いた機能性材料プロセスへの展開について第2節で述べる。さらに，廃棄物処理に基づく環境浄化プロセスへの応用を目的とした，直流放電アークによる水プラズマシステムについて第3節で解説し，第4節で本稿をまとめる。.
2.	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, 10.4164/sptj.56.459, 56 (8), p.459-467, 2019.08, [URL], Functional nanoparticle syntheses by thermal plasmas are reviewed. The advantages of thermal plasmas, such as high enthalpy, high chemical reactivity, and rapid quenching capability, have brought the advances and demands in plasma processing. Recent researches by DC arc, multiphase AC arc, and induction thermal plasma are summarized. Metal, intermetallic compounds, oxide, nitride, and boride nanoparticles are successfully synthesized by thermal plasma method. In particular, nanomaterial synthesis for the utilization in lithium-ion battery are summarized. Attractive nanomaterials related to cathode, anode, and electrolyte are successfully synthesized by thermal plasmas. High-productivity of the nanoparticles by thermal plasmas for industrial utilization can be achieved by improving energy efficiency and solving electrode erosion issue..
3.	渡辺隆行, 水プラズマによる廃棄物からの水素製造, プラズマ・核融合学会誌, 95 (1), p.27-33, 2019.01, [URL], 水プラズマにはO，H，OHラジカルが豊富に含まれているので，新しい廃棄物処理プロセスへの展開が可能である．ゴミを単に分解・無害化するだけではなく，プラズマでゴミを分解することによって水素を取り出すことも可能となる．水プラズマを用いて廃棄物から水素を製造する方法は，プラズマの放電領域で有機物を高速で分解できることから分解効率が高い方法である．水プラズマ自体からも水素が発生するので，廃棄物から副生水素を製造するプロセスは実現できる可能性がある．アーク放電の可視化と温度計測をもとに水プラズマの発生原理と特徴を解説し，最後に車載型水プラズマの応用展開を紹介した。.
4.	田中学、渡辺隆行, 多相交流アークの生成と計測, プラズマ・核融合学会誌, 95 (1), p.20-26, 2019.01, [URL], 多相交流アークは，複数の電極に位相の異なる交流電圧を印加することで発生・維持する熱プラズマ発生手法の一つである．従来の熱プラズマと比較して高いエネルギー効率，広いプラズマ面積などの特長を有するため，材料プロセッシングにおいて大きな期待が寄せられている．しかし，複雑な空間分布を有する熱プラズマがミリ秒オーダーで変動するため，プラズマ温度変動や電極における物理現象など，基礎現象の理解が充分でない点が問題であった．本章では，近年の計測技術の進歩によって明らかとなった多相交流アーク中の変動現象や電極現象の可視化・計測結果に基づき，多相交流アークの発生原理と特徴について解説する．さらに，近年開発された革新的な熱プラズマ発生手法である「ダイオード整流型」多相交流アークの発生についても解説する．.
5.	渡辺隆行, 水プラズマ放電現象と廃棄物処理への応用, 応用物理, 10.11470/oubutsu.87.12_907, 87 (12), p.907-911, 2018.12, [URL], 水プラズマは水を原料とする熱プラズマであり，H, O, OHラジカルが高温領域に多く存在するため，有機物の分解時にH2を豊富に含んだガスを回収することができる．水プラズマは冷却水による電極からの外部への熱損失がなくなるため，90%以上の熱効率が得られること，ガスボンベなどの外部からの作動ガスの供給が不要であるという特長を活かして，車載型の水プラズマ発生システムが開発された．高速度カメラにバンドパスフィルタ光学系を組み合わせた計測システムを用いて，これらの水プラズマのアーク変動現象や温度分布を計測し，廃棄物処理へ応用するための水プラズマの特性を明らかにした．.
6.	渡邉 隆行, 熱プラズマプロセッシングの展望, 化学工学, 78 (5), p.300-301, 2014.05, プラズマには一万度以上の高温を有する熱プラズマと，温度が常温から数百度程度の低温プラズマがある。熱プラズマは局所熱平衡状態に近く，高エネルギー密度および高温を有している。さらに高温状態からの急冷によって，生成物の制御が可能である。 最近は大気圧非平衡プラズマの産業応用が盛んであり，本誌でも2011 年6 月号に「大気圧プラズマが拓くあたらしい技術」の特集が企画された。この企画では熱プラズマが扱われていないが，熱プラズマの産業応用としての歴史は長く，産業規模は非平衡プラズマに比べると圧倒的に大きい。 特に環境問題の解決のための先端基盤技術のひとつとして熱プラズマ技術が注目されており，材料合成の分野では熱プラズマによるナノ粒子合成システムの研究が産学で盛んにおこなわれている。本号では熱プラズマを用いたプロセッシングの基礎から応用までを解説する。.

主要学会発表等

1.	Takayuki Watanabe, Manabu Tanaka, Nanomaterial Processing by Innovative Thermal Plasma System with Characterization and Diagnostics, The International Conference on Surface Engineering, 2023.11, 熱プラズマは、有害物質の分解、廃棄物からの有用物質の回収、高品質・高性能ナノ粒子の合成など、多くの革新的な産業応用への活用が期待されている。反応速度を向上させる高いエンタルピー、高い化学反応性、要求される化学反応に応じた酸化・還元雰囲気など、熱プラズマの利点は革新的な処理に有益である。 熱プラズマの特性に関する実験とモデリングは産業応用に捧げられてきた。しかし、熱プラズマの特性は、これらの努力にもかかわらず、まだ解明されていない。革新的な材料プロセスのための熱プラズマ処理における物理・化学現象について講演した。.
2.	Takayuki Watanabe, Thermal Plasma Generation for Innovative Materials Proessing, 7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, 2023.11, [URL], 多相交流アークは、プラズマ体積が大きく、ガス速度が小さいなど、材料加工に有利であることから、最も魅力的な熱プラズマの一つである。また、他の熱プラズマと比較して、エネルギー効率が高く、低コストであるという利点もある。そのため、多相交流アークは、ガラス溶融技術やナノ材料製造プロセスなど、革新的な材料加工に応用されている。アークの安定性、アーク放電の時間的・空間的特性、電極現象は、最も理解すべき重要な現象である。多相交流アークの特性を解明することは、産業応用に役立つと思われる。多相交流アークにおける電極現象の高速可視化に基づき、電極の物理を解明した。.
3.	Takayuki Watanabe, Hirokazu Akamatsu, Koichiro Fujii, Manabu Tanaka, Thermal Plasma Processing for Hydrogen Production from Natural Gas, The 13th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering, 2023.11, [URL], 多相交流アークは、プラズマ体積が大きく、ガス速度が小さいなど、材料加工に有利であることから、最も魅力的な熱プラズマの一つである。また、他の熱プラズマと比較して、エネルギー効率が高く、低コストであるという利点もある。そのため、CO2フリーの高温場を形成できることから，天然ガスの直接分解の反応場として適していると考えられる。適切なプラズマシステムを選択するとともに，反応機構等の基礎的要素を把握することで，高効率な分解反応および高機能炭素材料の製造を達成することができる。.
4.	Takayuki Watanabe, ＃Soon-Ho Kim, Chengyuan Duan, Manabu Tanaka, Myeong-Hoon Lee, Characterization and Diagnostics of DC Water Thermal Plasmas for Innovative Processing, 15th Asia Pacific Physics Conference, 2022.08, 大気圧下で安定した水プラズマを発生させる革新的なミスト発生型水プラズマトーチを開発した。水プラズマは代替グリーン技術として様々な廃棄物処理で注目されている。これは、アーク放電によりH,O,OHなどの活性種が大量に発生し、かつ高温であるためである。したがって、水プラズマは化学反応を促進し、副生成物の生成を抑制し、さらにH2やCOなどの合成ガスを大量に生成することができる。.
5.	Takayuki Watanabe, Thermal Plasma Characterization and Diagnostics for Innovative Material Processing, The 1st International Fusion Plasma Conference, 2022.08, 熱プラズマは、有害物質の分解、廃棄物からの有用物質の回収、高品質・高性能ナノ粒子の合成など、多くの革新的な産業応用への活用が期待されている。反応速度を向上させる高いエンタルピー、高い化学反応性、要求される化学反応に応じた酸化・還元雰囲気など、熱プラズマの利点は革新的な処理に有益である。 熱プラズマの特性に関する実験とモデリングは産業応用に捧げられてきた。しかし、熱プラズマの特性は、これらの努力にもかかわらず、まだ解明されていない。革新的な材料プロセスのための熱プラズマ処理における物理・化学現象について講演した。.
6.	Takayuki Watanabe，　Manabu Tanaka, Characterization and Diagnostics of Multiphase AC Arc for Innovative Material Processing, 2022 MRS Spring Meeting, 2022.05, 多相交流アークは、プラズマ体積が大きく、ガス速度が小さいなど、材料加工に有利であることから、最も魅力的な熱プラズマの一つである。また、他の熱プラズマと比較して、エネルギー効率が高く、低コストであるという利点もある。そのため、多相交流アークは、ガラス溶融技術やナノ材料製造プロセスなど、革新的な材料加工に応用されている。アークの安定性、アーク放電の時間的・空間的特性、電極現象は、最も理解すべき重要な現象である。多相交流アークの特性を解明することは、産業応用に役立つと思われる。多相交流アークにおける電極現象の高速可視化に基づき、電極の物理を解明した。.
7.	Takayuki Watanabe, Soon-Ho Kim, Chengyuan Duan, Hiiro Murakami, Manabu Tanaka, Myeong-Hoon Lee, Decomposition of Organic Waste by DC Water Thermal Plasmas, 5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, 2021.09, 大気圧下で安定した水プラズマを発生させるために、ミスト発生機能付きの革新的な水プラズマトーチを開発した。水プラズマは、グリーンテクノロジーとして様々な廃棄物処理に注目されている。これは、アーク放電によりH、O、OHなどの活性種が大量に発生し、かつ高温になるためである。そのため、水プラズマは化学反応を促進し、副生成物の生成を抑制し、さらにH2やCOなどの合成ガスを大量に発生させることができる。本研究では、N,N-ジエチル-m-トルアミドの処理を行った。また、非生分解性の含窒素有機化合物のモデルとして、N,N-ジメチルホルムアミドを対象廃棄物として、これらの分解特性を比較した。.
8.	Takayuki Watanabe, Manabu Tanaka, Hiiro Murakami, Soon-Ho Kim, Myeong-Hoon Lee, Water Thermal Plasma Characteristics with Mist Generation for Waste Treatment, 4th Asia Pacific Conference on Plasma Physics, 2020.10, [URL], 基調講演：An innovative water plasma torch with mist generation was developed for stable water plasma under atmospheric pressure. The purpose of this study is to investigate the arc fluctuation phenomena in the water plasma torch with mist generation. High-speed camera observation synchronized with arc voltage measurement was performed to understand the arc fluctuation. Results revealed that the arc fluctuation in the developed torch can be classified as perfect restrike mode. Effect of arc current on the discharge characteristics was examined. Another work aims to treat bisphenol A (BPA) by the water plasma reactor, and the experiment results showed that the decomposition rate of BPA could be over 99.2% at 9.5 A and the monocyclic aromatics were suggested as main by-product. Moreover, the operation condition has been proved with effect for the decomposition rate of BPA and by-product generation..
9.	渡辺隆行, ＃熊井絵理, ＃下野芙由美, 田中学, ＠星野健, ＠細田聡史, ＠金森洋史, 連続回転炉および流動層を用いた月土壌の水素還元プロセス, 日本マイクログラビティ応用学会第32回学術講演会, 2020.10, [URL], 招待講演：Hydrogen reduction of lunar soil simulants by a fixed bed reactor has drawbacks of a decrease in the reaction rate due to temperature distribution and uneven filling of the sample. One of the processes to solve these problems is the fluidized bed. Hydrogen reduction experiments have been conducted on lunar soil simulants of 100 g by a fluidized bed reactor. Although the fluidized bed gives uniform temperature distribution and high efficiency in the reaction, gravity and the powder characteristics have a significant effect on the fluidization. In addition, continuous operation is difficult for the fluidized bed reaction system. In this study, a continuous reactor has been built for hydrogen reduction of lunar soil simulants. The continuous screw reactor can handle a wide variety of samples for continuous operation. The reaction efficiency is high due to the large contact area of the sample as it passes through the reactor while rotating. The developed system will be used for hydrogen reduction of metal oxides with the aim of industrial application. Production of oxygen-deficient metal oxides are expected to be used as highly functional materials in various fields..
10.	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], 基調講演：Thermal plasmas are expected to be utilized for a number of innovative industrial applications such as 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. The experimental and modeling efforts on thermal plasma characteristics has been devoted to industrial application. However, thermal plasma characteristics remain to be explored in spite of these efforts. The electrode phenomena are one of the most considerable issues, because it determines the processing performance in thermal plasmas. The objective of the study is to investigate the physical and chemical phenomena in thermal plasma processing for innovative material processing..
11.	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。.
12.	渡辺隆行, 熱プラズマの物理・化学現象の解明に基づく産業推進, 第36回プラズマプロセシング研究会／第31回プラズマ材料科学シンポジウム, 2019.01, [URL], 基調講演：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．.
13.	渡辺隆行, エネルギー・環境分野への熱プラズマ応用研究の現状と展望, Plasma Conference 2017, 2017.11, 招待講演：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．.
14.	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, 招待講演：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。.
15.	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, 招待講演：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．.
16.	Takayuki Watanabe, Water Thermal Plasmas for Environmental Application, The 10th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering, 2015.09, 招待講演：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．.
17.	Takayuki Watanabe, Multi-Phase AC Arc for Innovative Glass Melting, 13th European Plasma Conference, 2014.06, 基調講演: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。.
18.	Takayuki Watanabe, Innovative Thermal Plasma Processing from Fundamental Research, 21st International Symposium on Plasma Chemistry, 2013.08, [URL], 基調講演：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。.

特許出願・取得

所属学会名

学協会役員等への就任

学会大会・会議・シンポジウム等における役割

学会誌・雑誌・著書の編集への参加状況

学術論文等の審査

海外渡航状況, 海外での教育研究歴

外国人研究者等の受入れ状況