JP4521515B2 - 触媒型電気化学反応器 - Google Patents
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Description
(1)触媒型電気化学反応器による被処理物質の化学反応もしくはエネルギー変換反応を行うための化学反応システムにおいて、(A)遷移金属の微細粒子、酸素欠損濃集部を有するイオン伝導体、及び電子伝導体、を構成要素として、1)反応場となる遷移金属の微細粒子からなる還元相、2)被処理物質を反応場に導入するためのナノメートルからミクロンメートルサイズの空間、及び3)反応場となるイオン伝導体結晶構造の中に形成された酸素欠損濃集部、から構成される微細構造、及び、4)イオン伝導体の酸素欠損濃集部に吸着する酸素分子をイオン化するために必要な電子を供給する電子伝導相、及び5)イオン伝導体の酸素欠損でイオン化された酸素分子を反応系外に搬出するための伝導経路となるイオン伝導相、から構成される電子供給と酸素搬出の微細構造、を基本単位とする化学反応部を形成したこと、(B)それにより、共存する酸素分子に対して被処理物質を酸素分子と別の吸着分解反応サイトにおいて選択的に吸着分解させる機能、及び化学反応部中の酸素欠損濃集部に吸着した酸素をイオン化してポンピングにより除去する機能を付加したこと、を特徴とする、化学反応システム。
(2)遷移金属の微細粒子、酸素欠損濃集部を有するイオン伝導体、及び電子伝導体、を組み合わせて、基本単位を大きくても径1ミクロンの粒子で構成し、各粒子間を3次元の導電性ネットワークで連結した構造を有する化学反応部を有し、かつ還元相に接するナノメートルスケールの空間を有することを特徴とする、前記(1)に記載の化学反応システム。
(3)イオン伝導体に接する還元相が、これとは別のイオン伝導体までの還元相部分の一部若しくは全部を占めるだけの体積を有することを特徴とする、前記(1)に記載の化学反応システム。
(4)還元相が、電子伝導体に接するか若しくはナノメートルスケールに近接していることを特徴とする、前記(1)に記載の化学反応システム。
(5)被処理物質を、ナノメートルスケールの空間に流入又は拡散させ、イオン伝導体の酸素欠損濃集部に選択的に吸着させ、還元相表面における化学反応を促進させる機能を有することを特徴とする、前記(1)に記載の化学反応システム。
(6)上記被処理物質が、窒素酸化物であることを特徴とする、前記(1)から(5)のいずれかに記載の化学反応システム。
(7)上記化学反応が、窒素酸化物の還元分解であることを特徴とする、前記(1)から(5)のいずれかに記載の化学反応システム。
(8)上記エネルギー変換反応が、化学エネルギーから電気エネルギーへの変換反応であることを特徴とする、前記(1)から(5)のいずれかに記載の化学反応システム。
(9)上記化学反応を、300〜500℃の低温作動で行うことで、特定の窒素酸化物を選択的に分解浄化する機能を発揮することを特徴とする、前記(1)から(5)のいずれかに記載の化学反応システム。
(10)イオン伝導体の酸素欠損濃集部及び還元相に接するナノメートルスケールの空間が、上記化学反応部への通電処理及び/又は熱処理により形成されたものであることを特徴とする、前記(1)又は(2)に記載の化学反応システム。
まず、本発明の化学反応システムの特定の組成及び構造からなる「基本単位」について説明する。本発明の化学反応システムは、被処理物質の化学反応もしくはエネルギー変換反応を行うための化学反応システムにおいて、遷移金属の微細粒子、酸素欠損濃集部を有するイオン伝導体、及び電子伝導体を組み合わせて、(1)反応場となる遷移金属の微細粒子からなる還元相、(2)被処理物質を反応場に導入するための空間、(3)反応場となるイオン伝導体結晶構造の中に形成された酸素欠損濃集部、(4)イオン伝導体の酸素欠損濃集部に吸着する酸素分子をイオン化するために必要な電子を供給する電子伝導相、及び(5)イオン伝導体の酸素欠損でイオン化された酸素分子を反応系外に搬出するための経路となるイオン伝導相、を基本単位とする化学反応部を形成し、それにより、共存する酸素分子に対して被処理物質を別の吸着分解反応サイトにおいて選択的に吸着分解させるようにしたことを特徴とするものである。
(1)試料の作製
遷移金属として、「基本単位」に適したFe,Cu,Niの内で、酸化物イオン伝導体として最も特性が安定している安定化ジルコニア(YSZ)との組み合わせにおいて、化合物などの合成反応が容易に生じず、かつ酸化−還元作用により容易に酸化物と金属に相変化し、還元時には、体積減少率が大きな(約40%)材料を得るために、酸化ニッケルの微細粉体を原料として用いた。
この圧粉体様試料を、径2cmの円盤状に切り出し、電極として白金メッシュを表裏両面に形成し、窒素酸化物の処理能力を測定した。被処理ガス中に試料を配置し、円盤の表裏両面に白金線をリード線として固定し、直流電源に接続し、直流電圧を印加して電流を流した。被処理ガスとして、一酸化窒素1000ppm、酸素2%、ヘリウムバランスのモデル燃焼排ガスを使用し、これを、流量2リットル/minで化学反応システムに流した。化学反応システムへの流入前後における被処理ガス中の窒素酸化物濃度を、化学発光式NOx計で測定し、窒素及び酸素濃度を、ガスクロマトグラフィーで測定した。窒素酸化物の減少量から、窒素酸化物の浄化率を求め、浄化率が80%となるときの電流密度及び消費電力を測定した。測定時の試料温度は、350℃に設定した。
Claims (10)
- 触媒型電気化学反応器による被処理物質の化学反応もしくはエネルギー変換反応を行うための化学反応システムにおいて、(A)遷移金属の微細粒子、酸素欠損濃集部を有するイオン伝導体、及び電子伝導体、を構成要素として、(1)反応場となる遷移金属の微細粒子からなる還元相、(2)被処理物質を反応場に導入するためのナノメートルからミクロンメートルサイズの空間、及び(3)反応場となるイオン伝導体結晶構造の中に形成された酸素欠損濃集部、から構成される微細構造、及び、(4)イオン伝導体の酸素欠損濃集部に吸着する酸素分子をイオン化するために必要な電子を供給する電子伝導相、及び(5)イオン伝導体の酸素欠損でイオン化された酸素分子を反応系外に搬出するための伝導経路となるイオン伝導相、から構成される電子供給と酸素搬出の微細構造、を基本単位とする化学反応部を形成したこと、(B)それにより、共存する酸素分子に対して被処理物質を酸素分子と別の吸着分解反応サイトにおいて選択的に吸着分解させる機能、及び化学反応部中の酸素欠損濃集部に吸着した酸素をイオン化してポンピングにより除去する機能を付加したこと、を特徴とする、化学反応システム。
- 遷移金属の微細粒子、酸素欠損濃集部を有するイオン伝導体、及び電子伝導体、を組み合わせて、基本単位を大きくても径1ミクロンの粒子で構成し、各粒子間を3次元の導電性ネットワークで連結した構造を有する化学反応部を有し、かつ還元相に接するナノメートルスケールの空間を有することを特徴とする、請求項1に記載の化学反応システム。
- イオン伝導体に接する還元相が、これとは別のイオン伝導体までの還元相部分の一部若しくは全部を占めるだけの体積を有することを特徴とする、請求項1に記載の化学反応システム。
- 還元相が、電子伝導体に接するか若しくはナノメートルスケールに近接していることを特徴とする、請求項1に記載の化学反応システム。
- 被処理物質を、ナノメートルスケールの空間に流入又は拡散させ、イオン伝導体の酸素欠損濃集部に選択的に吸着させ、還元相表面における化学反応を促進させる機能を有することを特徴とする、請求項1に記載の化学反応システム。
- 上記被処理物質が、窒素酸化物であることを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の化学反応システム。
- 上記化学反応が、窒素酸化物の還元分解であることを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の化学反応システム。
- 上記エネルギー変換反応が、化学エネルギーから電気エネルギーへの変換反応であることを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の化学反応システム。
- 上記化学反応を、300〜500℃の低温作動で行うことで、特定の窒素酸化物を選択的に分解浄化する機能を発揮することを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の化学反応システム。
- イオン伝導体の酸素欠損濃集部及び還元相に接するナノメートルスケールの空間が、上記化学反応部への通電処理及び/又は熱処理により形成されたものであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の化学反応システム。
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