プラズマと光で切り拓くエネルギー転換とカーボンニュートラル

岐阜大学工学部化学・生命工学科神原信志（かんばらしんじ）教授

2050年カーボンニュートラルの実現に向けて、水素やアンモニア、CO₂の回収・有効利用に注目が集まる一方、鉄鋼や化学、発電などの分野では、電化だけでは置き換えにくいプロセスもなお多く残されています。そうしたなか、プラズマや光を用いて高温・高圧に頼らず化学反応を制御し、エネルギーと環境の課題を同時に解こうとする研究に取り組む、岐阜大学工学部化学・生命工学科の神原信志教授に、研究の原点から現在の成果、そしてめざす未来像を伺いました。

Chapter Ⅰ：プラズマと光で、熱や圧力に頼らない化学反応を生み出す

私の研究グループは、環境エネルギー工学分野の研究を進めています。エネルギーを中心に据えながら、その排ガス処理や資源化を通じて、環境課題の解決にもつなげることが、私たちの研究室での基本的な考え方です。研究における主なアプローチ方法は、熱や高圧に頼らずに、プラズマ反応や短波長の紫外線を使った光反応で、化学反応を進めることです。実験だけでなくシミュレーションも組み合わせ、化学平衡、素反応、プロセス、熱流体まで含めて多角的に見ています。脱炭素エネルギー、水素、アンモニア、カーボンリサイクル、大気浄化、燃料電池の低コスト化まで幅広いテーマを扱っていますが、どれも「反応をどう起こし、どう社会で使うか」という一点でつながっています。

プラズマの魅力は、電子エネルギーでさまざまな分子を壊しながら、同時に反応も進められるところにあります。化学反応として非常に面白く、しかも触媒に頼らずに進められる反応もあります。一方で、大規模化には限界があり、装置を単純に大きくすればよいわけではありません。電気を使う以上、発電・送電で発生するCO₂をどう考えるかという課題もありますが、私はそうした制約を踏まえたうえで、より多くのCO₂を分解できる方向をめざして研究を進めています。実際、発生するCO₂量を分解量が上回るところまで、もう少しのところまで来ています。

Chapter Ⅱ：プラズマ研究の原点は、石炭燃焼のNOx対策

学生時代は、重油をガソリンに変える流動層の研究に取り組み、卒業間際には石炭のガス化にも関わりました。就職先の企業では、石炭燃焼に伴うNOx対策に携わるなかで、プラズマに注目するきっかけを得ました。当時は、触媒をできるだけ減らして脱硝できないかと考えていましたが、なかなかうまくいきませんでした。そんな時、知り合いの先生と「アンモニアにプラズマを当てれば活性種ができ、NOxを分解できるのではないか」という話になったのが始まりです。最初は私もプラズマについては素人でしたが、5年ほど同志社大学へ通い詰めて研究を重ね、アンモニアをプラズマに通すことで、脱硝率を2割から8割まで高めることができました。「これはいける」と感じたのですが、当時の会社の方針とは合わず、その後、研究の道へ進むことを決意して、岐阜大学に移りました。

Chapter Ⅲ：脱硝から広がった、アンモニアとCO2の新しい循環

もともとは脱硝が出発点でしたが、研究を進めるうちに、アンモニアが持つ別の可能性が次々に見えてきました。アンモニアは、アミノ酸の原料、半導体では成膜原料ガス、製鉄での窒化剤として主に使用されていますが、過剰に投与されることが多く、その余剰分を水に溶かしたアンモニア水は、安価で運びやすい特長をもっています。そこでそのアンモニア水から水素を作り、燃料電池で発電する研究や、トラクターやフォークリフトなどにアンモニア燃料を活用できないかなどの研究も始めています。またアンモニアをプラズマや紫外線で活性化すると水素が得られることから、アンモニアをエネルギーの運び手として活用できるのではないかと考えるようになりました。そこから、アンモニアを分解して水素を取り出し、水素キャリアや発電などの用途へつなげる研究、さらにアンモニアを利用した次世代の発電システムの検討へと研究が広がっていきました。

加えて、工場の排ガスに含まれるCO₂をアンモニアと反応させて炭酸水素アンモニウムとして固定し、最終的にメタンへつなげるカーボンリサイクルの研究も進めています。この反応は以前から知られていましたが、条件を工夫することで、CO₂をより効率的に固定できるようになりました。さらに、炭酸水素アンモニウムは触媒反応により、メタンを生成することができ、そのメタンを燃料として使うことで、CO₂を資源として循環させることができます。
脱硝から始まった研究が、いまではエネルギーキャリアとCO₂循環を結ぶ技術へと育ってきています。NEDOのCO₂実証拠点でも研究を進めており、実験室規模ながら2000L-CO₂/時の処理能力をめざしています。

Chapter Ⅳ：負担なく“はかる”ことが研究を前に進める

ポータブルガス分析計 PG-300シリーズ

私の研究では、反応の見える化のため、物質の変化量を精確にはかることが重要です。ところが、アンモニアは今でも測定が難しい物質です。従来の測定法では水に溶かして吸光度計で測ったり、NOに変えて測定したりする必要があり、手間がかかります。その上、高濃度のアンモニアをそのまま測れる装置はほとんどありません。ガスクロマトグラフィーでも30分かかりますし、レーザー計測も高価で、1％を超えるような高濃度アンモニアを安定して測れる装置はまだ限られています。高濃度のアンモニアを測定できるHORIBAのVA-5000シリーズの導入を検討し、研究をさらに加速させたいと考えています。

一方プラズマによるCO₂還元やCO₂固定化後のガス計測では、すでにHORIBAのガス分析計PG-300シリーズを使用しています。HORIBAの装置は、前処理装置がしっかりしているので本体が長持ちし、メンテナンスも少なくて済むところが嬉しいところです。

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　 VA-5000/VA-5000WM　シリーズマルチガス分析計の製品情報を見る

本来，800℃では脱硝反応（NOとNH3）は起こらないが、ラジカル反応を誘起するH2を注入すると、脱硝反応が起こる。ガス分析計により、反応の経過を追跡できた。

Chapter Ⅴ：現場で使えるゼロカーボン発電機から地球規模のカーボンニュートラルの実現へ

私がめざしているのは、研究室の中で完結する技術ではありません。アンモニアを使う拠点としては、東海地区の碧南でも整備が進められています。こうしたアンモニア拠点が全国に広がれば、内陸でも運びやすいアンモニアを起点に、水素利用とCO₂削減を一気に進められるでしょう。私は、大学が企業の橋渡し役となり、脱炭素技術を社会で使える形へつなぐことが重要だと考えています。いま最も社会実装に近いと考えているのは、SIP^※で進めているアンモニア利用ゼロカーボン発電機の開発です。必要に応じて現場でアンモニアを水素に変えてガスエンジンで発電します。排ガスはクリーンである上、音も静かです。まずは街中の工事現場で使う発電機を変えていきたいと考えています。さらに、この技術は、可搬型発電機を並べ電力をまかなうゴルフトーナメント会場のような場面や、岐阜に多い自動車部品工場の自家発電にも応用できるはずです。温暖化はさまざまな生物にも影響を及ぼし、感染症のリスク拡大にもつながると考えられています。こうした地球規模の課題の解決に、カーボンニュートラルの実現を通じて貢献していくことが、私の将来の夢です。