波長選択性熱放射を用いた量子共鳴励起による化学反応促進

使用波长选择性热辐射通过量子共振激发促进化学反应

基本信息

批准号：
09J04382
负责人：
前神有里子
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2012
项目状态：
已结题

项目摘要

水素を生成するために工業的に用いられているメタンの水蒸気改質の効率を向上させることを目的として、波長選択性熱放射を用いた共鳴振動励起による化学反応促進のメカニズムを、実験と数値解析を用いた多角的な視点から解明する。これまで、二次元周期微細構造を有する波長選択エミッタを用いた波長選択性熱放射による光励起が、直接分子の振動に影響を与え、平衡状態に非常に近いメタン濃度および水素濃度が得られるが、一酸化炭素の濃度は平衡状態を著しく上回り、二酸化炭素の濃度は平衡状態の約半分相当となることが明らかになっている。質量分析計を用いた微量ガス成分の定性分析でも、中間体の状態から由来する副生成物と考えられるエタンやエチレンが測定されていることから、非平衡反応や他の化学反応が寄与していると考えられる。本年度は量子分子動力学法によるシミュレーションを行い、共鳴光照射環境下における化学反応メカニズムの考察を行った。具体的には、第一原理量子分子動力学計算を用いて、メタン分子の振動励起の有無で、メタンと水の2分子間における衝突エネルギー依存性や衝突角度依存性を計算し、分子の挙動と反応生成物について明らかにした。さらに、Tight-Binding量子分子動力学計算を用いて、メタンと水のそれぞれ5分子において、メタン分子の伸縮振動である波長域(3019cm^<-1>)の吸収帯に選択的に光を照射することにより振動励起した状態における大規模シミュレーションを行った。ここでは、分子構造の安定化を図るためにパラメータを調整し、プログラム改良して振動励起状態を再現した。これにより、中間体生成物を含む反応の素過程の一部が明らかになった。以上の結果として、波長選択エミッタを用いた波長選択性熱放射によってメタンおよび水分子の近中赤外における振動のエネルギー準位を共鳴励起することにより、化学反応が促進され、メタンの水蒸気改質における水素の生成効率が向上することが判明した。

为了提高蒸汽重整甲烷的效率，该甲烷在工业上用于产生氢，使用波长选择性热辐射通过共振振动激发促进化学反应的机制将从实验和数值分析中从多面式的角度来阐明。到目前为止，使用波长选择性热辐射引起光激发，具有二维的周期性微观结构的波长选择发射极直接影响分子的振动，从而导致甲烷和氢浓度非常接近平衡状态，但已经表明，该浓度越过了碳纤维的浓度，并且该浓度越过碳的浓度，并且平衡的浓度越来越平衡。一半的平衡状态。在使用质谱仪和乙烯对痕量气体成分的定性分析中，乙烷和乙烯被认为是源自中间状态的副产物，因此被测量，因此被认为无元反应和其他化学反应造成了贡献。今年，使用量子分子动力学方法进行了模拟，以检查在共振光照射环境中化学反应的机理。具体而言，根据存在或不存在甲烷分子的振动激发，并澄清了分子行为和反应产物，使用第一原理量子量子分子动力学计算来计算甲烷和水之间两个分子之间的碰撞能量依赖性和碰撞角依赖性。此外，使用紧密结合的量子分子动力学计算，在一个状态下进行大规模模拟，在该状态下，将光选择性地辐照到波长范围内（3019 cm^<-1>）的吸收带中，这是甲烷分子的拉伸振动，在五分子中，甲烷和甲烷和甲烷和水。在这里，调整参数以稳定分子结构并进行编程以重现振动激发态。这揭示了反应的一些基本过程，包括中间产物。由于上述结果，发现通过波长选择性的热辐射，使用波长选择的发射极促进化学反应，共同激发了甲烷和水分子中近似振动的能量水平，从而促进了甲烷蒸汽改革过程中氢生产的效率。