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。

本研究采用申请人自主研发的可在空气和液体中工作的石墨烯/氧化物薄膜/半导体堆叠结构的超高效率平面电子发射器件（石墨烯电子源）。非弹性散射效应我们阐明了在室温常压下以100 mA/cm^2的高电流密度将eV带热电子直接注入液态或气态材料时分子的分解、活化和反应机制，并发现主动控制电子可以导致分子分解、活化和反应机制，其目的是构建一种创新的化学反应系统，能够高度精确地控制分子的分解和活化。此外，利用所提出的化学反应体系，我们还将尝试阐明以乙醇等碳氢化合物为原料的无二氧化碳排放的制氢机理。今年，我们开发了一种耐氧保护膜，以提高石墨烯电子源的耐氧性，并开发了一种液体电子束辐照装置，以利用电子束阐明碳氢化合物燃料的分解反应。对于石墨烯电子源用耐氧保护膜材料来说，同时具有耐氧性和高电子透过性非常重要，作为满足这些条件的材料，我们对h-BN的耐氧性和电子透过性进行了评价。当我们使用转移方法将单层h-BN附着到石墨烯电子源的电子发射表面并评估氧等离子体照射之前和之后的电子发射特性时，我们发现即使在氧等离子体照射之后它也能工作。此外，发现电子发射效率与没有保护膜的石墨烯电子源相当，并且其具有高电子透明度。这些结果已在 ACS Omega 上公布。关于液体电子束照射装置，我们开发了使用多层石墨烯的真空隔板，并证实可以在低于大气压（10^-4Pa）的情况下通过隔板注入高达约80nA的电子束。