【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.23】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24UT0283
利用課題名 / Title
アンモニア燃焼における表面反応の解明
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
アンモニア,ダイシング/ Dicing,水素貯蔵/ Hydrogen storage,電子分光/ Electron spectroscopy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
李 敏赫
所属名 / Affiliation
東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
鈴木 雄二,邢 裕健
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
UT-308：多機能走査型X線光電子分光分析装置(XPS)with AES
UT-900：ステルスダイサー
UT-906：ブレードダイサー
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
水素キャリアおよびクリーン燃料として，アンモニアが注目されている．近年の研究により，アンモニア火炎により，鉄系材料に窒化が誘発されることが明らかになった．しかし，アンモニア火炎は最大で40%程度の水蒸気を生成するため，水蒸気が窒化に及ぼす干渉効果を考慮する必要がある．そこで本研究では，窒化の前段階であるアンモニア表面分解における水蒸気の影響を調べた．
実験 / Experimental
窒素をキャリアガスとして水をバブリングし，水蒸気を発生させた後，アンモニアと混合し，内径8 mmのステンレス（SUS304）製チューブに供給した．水温を調整することで水蒸気の濃度を制御し，チューブを電気炉内で加熱することで，チューブの温度を425 ºCから700 ºCまで変化させた．水蒸気濃度や温度に関わらず，チューブ内での混合気の滞留時間が7.8秒となるように流量を設定した．チューブをアンモニア・窒素混合気で10時間，その後アンモニア・窒素・水蒸気混合気で2時間処理し，表面の微細構造をSEMにより観察した．また，XPS(VersaProbeⅢ)のArイオンスパッタリングを用いて，深さ約180 nmまでの成分分析を実施した．さらに，チューブの断面を取り，SEM-WDSにより深さ方向の窒素・酸素原子濃度分布を計測した．
結果と考察 / Results and Discussion
表面構造の観察の結果，図１に示すように，水蒸気による表面酸化の影響で多孔質膜が形成されることが判った．また，図２に示すように，表面における酸素原子濃度は約20 wt%に達し，深さ方向に向かうにつれて減少する．一方，図2および図３の結果から，表面では窒素原子が検出されないものの，深さ約40 μmにおいて窒素原子濃度が酸素原子濃度を上回り，約8~9 wt%まで増加し，深さ約150 μmまで分布することが判った．以上の結果から，鉄系材料がアンモニア・水蒸気混合気に曝される場合，アンモニアによる窒化と水蒸気のよる酸化が競争的に進行するが，表面では酸素原子の分布が支配的であることが明らかになった．
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1．表面の微細構造観察結果．
図２．断面のSEM-WDS計測結果．
図３．表面のXPS計測結果．
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Y. Xing, D. Wang, M. Lee, and Y. Suzuki, “Effect of Water Vapor on Metal Wall Nitriding Induced by Ammonia Flame,” 3rd Symposium on Ammonia Energy, Shanghai, China, Sep. 22-26, (2024).
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件