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渡邉 隆行(わたなべ たかゆき) データ更新日:2021.06.04

教授 /  工学研究院 化学工学部門 生産システム工学


主な研究テーマ
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
2013.04~2023.03.
従事しているプロジェクト研究
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。.
研究業績
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. 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], Interplanetary dust particles contain glass with embedded metals and sulfides (GEMS) grains (i.e., amorphous silicate grains with diameters of a few hundred nanometer containing Fe nanoinclusions and Fe sulfide particles), which are considered to be among the building blocks of the solar system.
For exploring that GEMS grains formed during the condensation process, condensation experiments were carried out in Si–Mg–Fe–Al–Ca–Ni–O and Mg–Si–Fe–Ca–Al–Na–O systems using an induction thermal plasma furnace. In all experimental runs, spherical grains (mostly composed of amorphous silicate) and with diameter <100 nm were condensed. The analysis of the amorphous silicates, which were classified as Mg rich or Si rich, indicated that the condensates formed via melting. Fe led to the formation of fine magnetite grains in most of the oxidative experiments, to 10-nm metal grains (i.e., kamacite and taenite) under intermediate redox conditions, and to 30- to 100-nm Fe silicide grains (i.e., gupeiite, xifengite, and fersilicite) in most of the reductive experiments. Under intermediate redox conditions, some amorphous silicate particles showed multiple Fe inclusions with textures very similar to those of GEMS grains except for FeS, indicating that GEMS could form by condensation of high-temperature gases.
Considering the nucleation and growth of solids from high-temperature gas during cooling, we infer that GEMS grains formed either in the local environment of our protoplanetary disk (and be related to chondrule formations) or around evolved stars related to II-P SNe and AGB type stars..
2. 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..
3. 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..
4. 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..
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, 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..
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, [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..
7. 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..
8. 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.本章では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する..
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. 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..
2. Takayuki Watanabe, Manabu Tanaka, Hiiro Murakami, Soon-Ho Kim, and 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..
3. 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..
4. 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。.
5. 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..
6. 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..
7. 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。.
8. 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..
9. 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..
10. 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。.
11. 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
特許出願件数  12件
特許登録件数  15件
その他の優れた研究業績
2020.10, FM横浜主催「沖縄チャンプルーカーニバル」にて,アントニオ猪木氏とプラズマ公開実験を行う(横浜・日本丸メモリアルパーク) 。.
2019.06, テレビ朝日「羽鳥慎一のモーニングショー」にて熱プラズマによる廃棄物処理に関する研究がテレビ紹介された。.
2018.10, テレビ東京「発想UNLEASH〜未来への自由研究〜」にて熱プラズマによる廃棄物処理に関する研究がテレビ紹介された。.
2017.09, BSジャパンの「未来EYES:ゴミをエネルギーに変える水プラズマ」にて熱プラズマによる廃棄物処理に関する研究がテレビ紹介された。.
2016.04, BSフジ 革新のイズム「ゴミを蒸発させる魔法の水」にて熱プラズマによる廃棄物処理に関する研究がテレビ紹介された。.
2014.11, TBSテレビ 夢の扉+「10,000℃の水プラズマで未来を照らせ!」にて熱プラズマによる廃棄物処理に関する研究がテレビ紹介された。.
学会活動
所属学会名
International Plasma Chemistry Society
応用物理学会
化学工学会
日本機械学会
プラズマ・核融合学会
無機マテリアル学会
スマートプロセス学会
学協会役員等への就任
2019.04~2023.03, プラズマ・核融合学会, 理事.
2020.04~2022.03, 日本学術振興会プラズマ材料科学第153委員会, 会長.
2018.04~2020.03, 日本学術振興会プラズマ材料科学第153委員会, 副会長.
1997.04~2020.03, 日本学術振興会プラズマ材料科学第153委員会, 運営委員.
2010.01~2014.03, 宇宙航空開発研究機構, 宇宙探査委員.
2017.04~2019.03, プラズマ・核融合学会, 代議員.
2014.04~2018.03, 化学工学会, 代議員.
2015.04~2019.03, 化学工学会, 熱工学部会 幹事.
2005.04~2017.03, 化学工学会, 材料・界面部会 幹事.
2011.01~2012.12, 化学工学会, トピックス委員.
2013.04~2015.03, 化学工学会, 熱工学部会長.
2011.04~2015.03, 化学工学会, 編集委員.
2014.04~2019.03, 化学工学会, 論文誌編集委員会 エディター.
2012.04~2014.03, 日本機械学会, 校閲委員.
2014.04~2018.03, プラズマ・核融合学会, 九州・山口・沖縄支部役員.
2011.05~2013.05, スマートプロセス学会, 評議員.
2014.04~2016.03, 応用物理学会, プラズマエレクトロニクス分科会幹事.
学会大会・会議・シンポジウム等における役割
2023.05.21~2023.05.25, 25th International Symposium on Plasma Chemistry, 組織委員長.
2022.03.06~2021.03.10, 14th International Symposium on Advanced Plasma Science and Its Application for Nitrides and Nanomaterials, 組織委員.
2021.11.22~2021.11.25, プラズマ・核融合学会 第38回年会, 領域委員長.
2021.09.26~2021.09.30, 13th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering, 国際科学委員.
2021.09.26~2021.10.01, 5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, 組織委員.
2020.12.01~2020.12.04, プラズマ・核融合学会 第37回年会, 領域委員長.
2021.03.28~2021.04.02, 15th Asia-Pacific Conference on Plasma Science & Technology, 国際組織委員.
2020.12.06~2020.12.10, 47th IEEE International Conference on Plasma Sciences, セッションオーガナイザー.
2020.10.26~2020.10.30, 4th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, 組織委員.
2020.03.08~2020.03.11, 12th International Symposium on Advanced Plasma Science and Its Application for Nitrides and Nanomaterials, プログラム委員.
2019.11.29~2019.12.02, プラズマ・核融合学会 第36回年会, 領域委員.
2019.11.14~2019.11.16, 高速度イメージングとフォトニクスに関する総合シンポジウム2019, 組織委員.
2019.09.01~2019.09.05, 12th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering, 国際科学委員.
2019.06.09~2019.06.14, 24th International Symposium on Plasma Chemistry, 国際組織委員.
2019.03.17~2019.03.21, 11th International Symposium on Advanced Plasma Science and Its Application for Nitrides and Nanomaterials, 国際組織委員,プログラム委員.
2018.11.17~2019.11.19, 九州・山口プラズマ研究会, 実行委員長.
2018.09.18~2018.09.20, 化学工学会第50回秋季大会, シンポジウムオーガナイザー.
2018.07.25~2018.07.28, 7th International Conference on Microelectronics and Plasma Technology, プログラム委員.
2018.03.04~2018.03.08, 10th International Symposium on Advanced Plasma Science and Its Application for Nitrides and Nanomaterials, 組織委員,プログラム委員.
2017.11.15~2019.11.17, 高速度イメージングとフォトニクスに関する総合シンポジウム2017, 組織委員.
2017.11.01~2017.11.03, 14th International Conference on Flow Dynamics, オーガナイザー,座長(Chairmanship).
2017.10.28~2017.10.30, The 9th JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference, オーガナイザー.
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.
2017.07.30~2017.08.04, 23rd International Symposium on Plasma Chemistry, 国際組織委員.
2017.01.16~2017.01.18, 第34回プラズマプロセシング研究会, プログラム委員.
2016.11.07~2016.11.10, The 13th International Congress on High-Speed Imaging and Photonics, 国際組織委員,セッションオーガナイザー,座長(Chairmanship).
2016.10.22~2016.10.23, 熱工学カンファレンス2016, シンポジウムオーガナイザー.
2016.09.11~2016.09.14, 日本機械学会2016年度年次大会, 実行委員.
2016.09.06~2016.09.08, 化学工学会第48回秋季大会, シンポジウムオーガナイザー.
2016.08.07~2016.08.10, 20th International drying Symposium, 実行委員.
2016.07.03~2016.07.07, 14th European Plasma Conference, 国際組織委員.
2016.05.19~2016.05.22, 13th Asia-Pacific Conference on Plasma Science & Technology, 国際組織委員.
2016.03.19~2016.03.23, 第63回応用物理学会春季講演会, シンポジウムオーガナイザー.
2015.12.12~2015.12.15, 9th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology, 実行委員,座長(Chairmanship).
2015.10.12~2015.10.16, 9th International Conference on Reactive Plasmas, 国際組織委員.
2015.10.03~2015.10.03, 第21回応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会プラズマ新領域研究会, 研究会世話人.
2015.09.09~2015.09.11, 化学工学会第47回秋季大会, シンポジウムオーガナイザー.
2015.03.26~2015.03.31, 7th International Symposium on Advanced Plasma Science and Its Application for Nitrides and Nanomaterials, オーガナイザー,座長(Chairmanship).
2014.09.26~2014.09.26, 第63回理論応用力学講演会, セッションオーガナイザー.
2014.09.17~2014.09.19, 化学工学会第46回秋季大会, 実行委員,シンポジウムオーガナイザー.
2014.08.31~2014.09.05, 12th Asia-Pacific Conference on Plasma Science & Technology, 国際組織委員,座長(Chairmanship).
2014.07.08~2014.07.11, 5th International Conference on Microelectronics and Plasma Technology, 国際組織委員,国際プログラム委員,座長(Chairmanship).
2014.06.22~2014.06.27, 13th European Plasma Conference, 座長(Chairmanship).
2014.03.03~2014.03.07, 4th International Round Table on Thermal Plasmas for Industrial Applications, 国際組織委員.
2014.02.04~2014.02.07, 8th International Conference on Reactive Plasmas, 国際組織委員.
2013.11.19~2013.11.12, The 12th International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization, 国際組織委員.
2013.09.23~2013.09.24, 第26回プラズマ材料科学シンポジウム, 運営委員.
2013.09.16~2013.09.18, 化学工学会第45回秋季大会, シンポジウムオーガナイザー.
2013.08.24~2013.08.26, 1st International Conference on Green Energy and Technologies, 国際組織委員,座長(Chairmanship).
2013.08.04~2013.08.09, 21st International Symposium on Plasma Chemistry, 国際組織委員,座長(Chairmanship).
学会誌・雑誌・著書の編集への参加状況
2015.04~2022.03, Journal of Chemical Engineering of Japan, 国内, 編集委員.
2015.04~2022.03, 化学工学会論文誌, 国内, 編集委員.
2012.04~2014.03, 日本機械学会誌, 国内, 査読委員.
2011.04~2015.03, 化学工学会誌, 国内, 編集委員.
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
2020年度 20  10  100  130 
2019年度 20  10  500  530 
2018年度 20  10  200  230 
2017年度 20  10  10  40 
2016年度 10  10  20  40 
2015年度 20  10  40  70 
2014年度 20  40  73 
2013年度 20  50  73 
その他の研究活動
海外渡航状況, 海外での教育研究歴
ミネソタ大学, UnitedStatesofAmerica, 1994.06~1995.03.
外国人研究者等の受入れ状況
2018.10~2019.09, 1ヶ月以上, 西南石油大学, China, 外国政府・外国研究機関・国際機関.
2009.07~2009.08, 1ヶ月以上, 国立台北科技大学, Taiwan, 外国政府・外国研究機関・国際機関.
2011.04~2013.03, 1ヶ月以上, 済州国立大学, Korea, 学内資金.
2007.04~2009.03, 1ヶ月以上, 昆明理工大学, China, 政府関係機関.
2005.04~2008.03, 1ヶ月以上, East West University, Bangladesh, 日本学術振興会.
1998.04~2003.03, 1ヶ月以上, University of Santo Tomas, Philippines, 日本学術振興会.
受賞
プラズマ材料科学賞 (基礎部門), 日本学術振興会, 2014.10.
平成24年度東京工業大学手島精一記念研究賞発明賞, 東京工業大学, 2013.03.
Microsoft Innovation Award優秀賞, Microsoft, 2007.09.
Outstanding Paper Award of Journal of Chemical Engineering of Japan, 化学工学会, 2007.09.
プラズマ材料科学賞 (奨励部門), 日本学術振興会, 2000.06.
第46回無機マテリアル学会賞学術賞, 無機マテリアル学会, 2005.06.
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)
2019年度~2021年度, 基盤研究(B), 代表, 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.
2011年度~2013年度, 基盤研究(B), 代表, 水プラズマを新しい反応場として利用する廃棄物処理プロセスの開発.
2008年度~2010年度, 基盤研究(B), 代表, 大気圧下の水プラズマによるポータブル型廃棄物処理システムの開発.
2005年度~2007年度, 基盤研究(B), 代表, 大気圧直流放電による水蒸気プラズマを用いた含ハロゲン廃棄物の処理.
競争的資金(受託研究を含む)の採択状況
2019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 第4回研究提案, 代表, 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~2019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, 代表, ナノ粒子を用いた透明遮へい材の開発研究.
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~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, 代表, 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.
2016年度~2016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, 代表, 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-.

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