Direct cracking of hydrocarbon fuel by hot electron injection using graphene planar type electron source and its application for hydrogen production

石墨烯平面型电子源热电子注入直接裂解烃类燃料及其制氢应用

基本信息

批准号：
22K18800
负责人：
村上勝久
金额：
$ 4.16万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究は、申請者がこれまで独自に開発してきた大気中・液体中で動作可能なグラフェン／酸化膜／半導体積層構造の超高効率平面型電子放出デバイス（グラフェン電子源)を用いて、分子との非弾性散乱の効果が高い10~30 eV帯のホットレクトロンを100mA/cm^2の高電流密度で室温常圧の液体材料やガス材料に直接注入した際の分子の分解・活性化・反応機構を解明し、電子の能動制御によって分子の分解・活性化を高精度で制御可能にする革新的な化学反応システムを構築することを目的としている。更に、提案する化学反応システムを用いて、エタノールなど炭化水素材料を原料とした二酸化炭素排出フリー水素発生機構の解明も試みる。本年度はグラフェン電子源の酸素耐性向上に向けた酸素耐性保護膜の開発と、電子線による炭化水素燃料分解反応解明に向けた、液中電子線照射装置の開発を実施した。グラフェン電子源の酸素耐性保護膜材料には酸素耐性と高い電子透過性の両立が重要であり、これらの条件を満たす材料としてh-BNの酸素耐性と電子透過性を評価した。グラフェン電子源の電子放出面に転写法により単層h-BNを貼り付けて、酸素プラズマ照射前後での電子放出特性を評価したところ、酸素プラズマ照射後も動作することが分かった。また、電子放出効率も保護膜無しのグラフェン電子源と同等であり、高い電子透過性を有することがわかった。これらの成果をACS Omegaで発表した。液中電子線照射装置に関しては、多層グラフェンを用いた真空隔壁を開発し、隔壁を通して準大気圧中（10^-4Pa）に最大約80nAの電子線を注入可能であることを確認した。

This research aims to elucidate the decomposition, activation and reaction mechanism of molecules when hot rectrons in the 10-30 eV band are directly injected into liquid or gas materials at room temperature and atmospheric temperature and pressure using the ultra-high efficiency planar electron emission device (graphene electron source) with a graphene/oxide/semiconductor laminated structure that can operate in the atmosphere and in liquids (graphene electron source), which has been由申请人开发的，当在室温和大气压下以100 mA/cm^2的高电流密度直接注入10-30 eV带中的热矩阵时，并通过主动控制电动对电动控制来构建分子分解和激活分子的高精度控制。此外，我们将尝试使用诸如乙醇作为原材料等碳氢化合物材料（例如乙醇）来阐明无二氧化碳的产生机理。今年，我们开发了一种耐氧保护膜，以改善石墨烯电子源的氧气耐药性和液态电子束辐照装置，以阐明使用电子束的碳氢化合物燃料破裂的反应。石墨烯电子源的耐氧保护膜材料对于达到氧气耐药性和高电子渗透性很重要，H-BN的氧气耐药性和电子渗透性被评估为满足这些条件的材料。当单层H-BN被粘贴到石墨烯电子源的电子发射表面时，通过在氧血浆照射之前和之后转移电子发射特性，发现即使在氧血浆照射后仍能运行。此外，电子发射效率与没有保护膜的石墨烯电子源的发射效率相似，并且发现具有高电子渗透性。这些结果在ACS Omega提出。关于液体电子束辐照装置，开发了使用多层石墨烯的真空分区，并证实可以通过分区壁注入到大气压压力（10^-4pa）的电子束（10^-4pa）。