【研究領域課題番号】21K18615 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

プラズマ化学 / プラズマ触媒 / カーボンリサイクル / 炭素循環 / カーボンニュートラル / 二酸化炭素 / メタノール / メタン / 触媒反応

【研究成果の概要】

メタノール合成に用いる高活性触媒としてCuZn/Al2O3合金触媒を用い，誘電体バリア放電（DBD, Dielectric Barrier Discharge）の組み合わせによる反応促進効果を確認するとともに反応機構を明らかにした。DBDを照射したまま赤外吸収分光分析が可能な装置を新たに開発し，熱反応とプラズマ反応による表面化学種の違いを同定した。熱反応では，CO2とH2の混合ガス（H2/CO2 = 3）を流通させると炭酸塩（CO3*）の形成を確認できた。常温から500℃まで昇温すると炭酸塩のピークがわずかに増加したが，それ以外の変化はなかった。しかし，DBDを作用させると炭酸塩のピーク強度が顕著に強くなるとともに，ギ酸塩（formate：HCOO）の形成を確認できた。これらのピークは触媒温度に対して大きな変化を示し，この点も熱反応と明らかに異なる挙動を示した。CO2とH2を単独で交互に流通させて同様の実験を行った。H2をプラズマで励起するとCuに吸着したCu-Hに起因するブロードなピークが顕在化した。Hが吸着するとCuZnの伝導体に電子を供与するためCuZnの自由電子が増加し，赤外長波長域でプラズモン共鳴により触媒の赤外吸収（ベースライン）が増大することが明らかになった。DBDがCO2を振動励起させることは当初から想定していたが，プラズマはH2も効果的に励起しており，その結果スピルオーバーを促進してCH3OHおよびCH4を生成することを初めて明らかにした。吸着種の振動信号を獲得できない場合でも，電荷移動によるプラズモン共鳴を利用した反応診断の可能性を示したことも重要な成果である。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2021-07-09 - 2023-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】農業土木学・農村計画学

【研究領域課題番号】17380139 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ホメオスタシス / 水循環恒常性機能 / 炭素循環恒常性機能 / 熱的恒常性機能 / 塩類集積地 / プライミング効果 / 熱環境 / 環境保全戦略 / 土壌環境 / 土壌修復 / 塩類集積 / 半乾燥地 / 熱帯雨林 / 炭素循環 / 森林火災 / バイオベンティング / メタン / カドミウム / 土壌微生物 / ゼロフラックス面 / ファイトリメディエーション / 水循環

【研究成果の概要】

土壌のホメオスタシス機能、すなわち、恒常性機能あるいは平衡維持機能は、土壌が示す物理的・化学的・生物的緩衝作用によって発現する。したがって、土壌のホメオスタシス機能を回復することは、重要な環境保全戦略となりうる。本研究は、土壌が本来有しているホメオスタシス機能を最大限に引き出すことによる環境保全戦略を創出することを目的とした。そのために、土壌のホメオスタシス機能として、水循環恒常性機能、炭素循環恒常性機能、熱的恒常性機能に着目し、既存知識を整理し、現状分析・問題点の抽出・ホメオスタシス機能回復戦略の提示を行った。これらを検討した結果、以下が明らかにされた。
1.水循環恒常性機能では、数mmの降雨や数mm相当の山岳融雪水による地下水涵養が、中国東北部に広がる塩類集積地において地下水位を著しく上昇させること、その地下水位上昇を、わずかな耐塩生植物による蒸散促進が防御している可能性が高いことを示唆した。
2.炭素循環恒常性機能では、土壌水分、土壌深さ、地温、降雨などがCO_2ガス放出に及ぼす影響を実証し、新規性のある知見を得、学会発表、論文公表を行った。同時に、土壌に投与する有機物の種類によって、地球温暖化ガスCO_2の大気への放出量や放出経緯が異なることに着目し、プライミング効果の検討が進んだ。
3.熱的恒常性機能では、インドネシア熱帯雨林の森林火災に着目し、土壌中の熱移動現象や、揮発した水蒸気、炭素、窒素などの土中移動現象を測定・解析し、この知見を元に、熱環境の変化に対する土壌のホメオスタシス機能を評価した。
「土壌が有するホメオスタシス機能の最適化による環境保全戦略」研究は、平成20年度を最終年度として計画したが、平成19年度で終了し、平成20年度初年度の基盤研究(A)「土壌圏を媒体とする物質循環のミッシングソース・ミッシングシンクに関する研究」に発展的に引き継がれることになった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】15,730千円 (直接経費: 15,100千円、間接経費: 630千円)

【研究分野】生態・環境

【研究領域課題番号】15405012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高緯度北極 / 生態系炭素循環 / コンパートメントモデル / 遷移 / 光合成 / 微生物 / 土壌呼吸 / メタン / 炭素循環 / 氷河後退域 / 植生分布 / 反射スペクトル / NDVI / 生態系純生産量 / 微生物バイオマス / リン脂質脂肪酸 / 光合成生産 / コケ類 / 地衣類 / 維管束植物 / 土壌微生物バイオマス

【研究成果の概要】

本研究は、高緯度北極スバールバールの陸上生態系を主な調査地とし、遷移段階ごとに炭素吸収系と放出系に対する環境要因の影響を調べ、それをもとに炭素循環モデルを構築し、炭素循環に与える環境変動の影響を予測することを目的とした。主な成果は以下のとおりである
(1)氷河末端から海岸まで2.6kmの3本のラインに沿って植生、バイオマス、土壌炭素の分布を調査し、植生と土壌要因との関係を明らかにした。
(2)遷移後期における秋期の生態系純生産量(NEP)を測定し、環境要因との関係を検討した。
(3)地衣類1種の光合成・呼吸活性と環境要因との関係を調べ、それをもとにモデルを作成し、過去9年間にわたる生産量の変動と温暖化の影響について検討した。
(4)遷移段階ごとの光合成生産を調べる目的で、調査地を代表する3種の維管束植物の光合成、呼吸特性を光合成・蒸散測定装置を用いて調べた。
(5)調査地におけるメタンの発生状況とそれに与える環境要因の影響を調査し、その空間的変動要因について検討した。
(6)スバールバールおよびカナダの高緯度北極で採取された土壌について、微生物群集構造の指標となるリン脂質脂肪酸の分析を行い、遷移と微生物群集との関連について検討した。
(7)冬期の土壌呼吸活性を把握するために、雪面からのCO_2放出速度を推定した。また、積雪下から採取したリターの低温域(-13℃〜+5℃)におけるCO_2放出速度を測定した。
(8)土壌微生物のバイオマスと呼吸活性の制限要因を検討するため、現地で採取した土壌に炭素源、窒素源を添加し、その影響を検討した。
(9)土壌深層の炭素動態における微生物の役割を調べる目的で、土壌深層中のATP量を測定し、深層土壌においても微生物が存在することを確認した。
(10)これまでに得られたデータをもとに、高緯度北極陸上生態系の炭素循環モデルを構築し、その有効性について検討した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2006

【配分額】14,300千円 (直接経費: 14,300千円)

【研究分野】エネルギー学一般・原子力学

【研究領域課題番号】06558067 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

熱 / 化学エネルギー変換装置 / 酸素放出反応 / 酸化プラセオジム / ニッケルフェライト / CO_2 / メタン / Co_2 / ケミカルヒートポンプ / 熱交換器 / 水素発生 / 化学エネルギー変換 / 酸素分圧 / 炭素循環 / メタン化反応 / 廃熱

【研究成果の概要】

(1)熱/化学エネルギー変換実験装置の試作運転
熱/化学エネルギー変換装置を試作し、酸素放出反応による熱回収効率を測定した。CBNFを用いた熱回収システムではCBNFの酸素放出量が少なすぎるために熱回収効率は低効率で、熱/化学エネルギー変換装置としては機能させることができないことが分かった。しかしモデルとして400℃での酸化プラセオジムによる酸素放出による熱回収効率を測定したところ、この反応に対して本試作機は酸素放出による熱/化学エネルギー変換システムとして作動することが確認できた。
(2)熱/化学エネルギー変換効率の改善
試作機の熱変換効率を高めるため酸素放出過程の雰囲気を低酸素分圧下と高酸素分圧下に分離し、低酸素雰囲気下での熱吸収を増幅させる機構を原理として考案し、その実証を行った。更に水素発生セルと酸素発生セルの両セルを改良し、酸素放出と水素発生反応とが繰り返し行わせることができるようにしたのち、酸素放出過程時に低酸素分圧下で発生する微量の酸素を増幅用酸素発生装置(平成6年度試作の熱/化学エネルギー変換試作装置)に導入し、吸熱が十分大きく進行するようになるまで吸収させる方法を検討した。吸収には水素発生過程、酸素放出過程、共に進行する温度で作動する酸化物を検討し、酸素放出過程を二つのプロセス(低酸素分圧過程と高酸素分圧過程)に分離することにより、低酸素分圧雰囲気下での酸化物の活性化による低熱吸収効率を改善できる可能性を見いだした。
(3)廃熱利用型炭素循環システムの試作運転
メタン化の反応システムを300℃でのニッケルフェライトによるCO_2分解装置との組み合わせによる方式で組立てた。この方式は排ガス中のCO_2を300℃のままで分離濃縮し、メタンにまで転換するシステムとして有用なことが分かった。熱/化学エネルギー変換実験装置の組み合わせたシステムの設計を行った。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】16,600千円 (直接経費: 16,600千円)