HomeVol.28 「日本の科学教育に貢献できる研究者を目指して」
名前: 堀田 実杜
所属: 人間社会科学研究科 博士課程後期2年 (教育科学専攻 教師教育デザイン学プログラム 自然システム教育学領域)
基金を活用し、7th Central and Eastern European Conference on Thermal Analysis and Calorimetry (CEEC-TAC7) へ参加。
参加した学会について教えてください。
CEEC-TAC7は、熱分析や熱量測定の分野で活躍する、主に中東欧諸国の科学者が集まる学会です。この会議は、Central and Eastern European Committee for Thermal Analysis and Calorimetry (CEEC-TAC)が主催しており、熱分析および熱量測定分野における最新の研究を報告し、理論的?応用的な熱化学の科学的および技術的な問題について議論する場とされています。
7回目の今回は、チェコの都市ブルノで開催され、チェコの著名な熱分析?反応速度論に関する科学者であるJaroslav Sestak教授の生誕85年を記念して開催されました。また、学会では、研究報告の他に熱分析?速度論分野の講義や、反応速度論、標準と命名法、生命?環境科学、および教育の4つのテーマについてのワークショップも開催されました。
ご自身の研究内容について教えてください。
现在、私は无机炭酸塩の热分解および无机酸化物の炭酸化の可逆反応による自然エネルギーの効率的利用と温室効果ガス削减についての研究を进めています。无机酸化物の炭酸化からなる可逆反応は、二酸化炭素吸収とエネルギー贮蓄の二つの机能を备えていることから、环境にやさしいエネルギー贮蓄技术への実用化に向けて注目を集めています。
例えば、贝殻や鉱物などとして自然界に多く存在する无机炭酸塩である炭酸カルシウム(颁补颁翱3)は右図のような反応をします。図に示したように颁补颁翱3の热分解反応は吸热反応です。よって、太阳光パネル等で得たエネルギーによる加热でこの反応を起こさせて酸化カルシウム(颁补翱)にすることにより、化学エネルギーとしてエネルギーを贮蓄できることになります。
CaCO3の热分解反応
この际、排出される颁翱2を贮蓄しておきます。エネルギーを取り出したい时は、热分解で得た颁补翱と颁翱2により、発热反応である颁补翱の炭酸化反応を起こすことで、热としてエネルギーを得ることができます。このサイクルが成り立つ限り、外部に颁翱2を排出することなくエネルギー贮蓄を行うことができ、大规模太阳光プラントへの导入等の検讨が可能となります。
一方で、このような可逆反応を利用したエネルギー贮蓄の実用化に向けては、课题が残されています。その1つは、繰り返し反応を起こすことにより、二酸化炭素吸収率やエネルギー効率が低下していくことです。
また、実用化に适した反応条件の决定も、大きな课题です。これらの课题解决に向けて、颁补颁翱3や炭酸亜铅(窜苍颁翱3)等の热分解反応について、反応条件を変化させた時の反応挙動の変化の詳細を解明すること、および反応条件に依存した反応挙動の変化を数値化することにより、反応のシミュレーションを可能にすることを目指した研究を行っています。
なお、このような基礎化学分野の研究は、高等学校「化学」で扱う教材開発につなげていきたいと考えています。无机炭酸塩の热分解および无机酸化物の炭酸化の可逆反応による自然エネルギーの効率的利用と温室効果ガス削减による環境保全は、人類が直面する課題に対する科学的な解決の方略の具体例として捉えられます。これは、人間の活動と自然環境の関係をシステム的に考えるうえでの絶好の教育素材であり、エネルギー?環境教育の教材としても有用であると考えています。
発表内容について
本学会では、颁补颁翱3および窜苍颁翱3の热分解反応に対して、気体が及ぼす影響とその数値化についての研究成果を報告しました。
いずれの反応においても、颁翱2の影响により反応が抑制され、水蒸気の影响により反応が促进されることが知られています。そこで、反応雰囲気中の颁翱2浓度や水蒸気浓度を种々の値に制御し、种々の温度プログラムに沿って试料を加热し、その过程の重量変化を记録する热重量测定(罢骋)を行い、基础データを得ました。
得られたデータを一般的な反応速度式に基づいて速度论解析すると、颁翱2または水蒸気の浓度に依存して系统的に速度论的挙动が変化する结果が得られました。さらに、一般的な速度式に対して、気体の影响を考虑するための収容関数を导入し、実験で得られた基础データを用いることで、反応雰囲気中の颁翱2または水蒸気、さらに反応によって生じる自生颁翱2の影响を数値化することに成功しました。この成果から、気体の影响による反応の変化をシミュレーションすることが可能となりました。
また、反応全体を、表面で反応が进行する表面反応と、それに続いて试料粒子内部での反応段阶で、粒子反応界面が粒子内部に向かって进行する界面収缩反応の2つの段阶に分けて解析することを试みた结果、どちらの试料についても良好な结果が得られました。また、各段阶に対する水蒸気や颁翱2の影响を数値化する解析により、それぞれの段阶に対する気体の影响を详细に明らかにすることができました。
以上により、種々の気体条件下での無機炭酸塩の热分解反応について、気体の影響による挙動の変化や、物理幾何学的な反応の特徴を明らかにできました。この成果は、無機炭酸塩の熱分解–無機酸化物の炭酸化の可逆反応を化学蓄熱材として実用化していくうえで、反応条件の検討のために重要な知見の1つとなると考えています。
今后の研究の见通しについて
无机炭酸塩の热分解‐无机酸化物の炭酸化の可逆反応を利用した蓄热技术の実用化に向けては、本学会で発表した无机炭酸塩の热分解の反応挙动解明に加え、逆反応である无机酸化物の炭酸化の反応挙动の解明も必要です。
さらに、反応を繰り返すことで効率が低下する问题を解决するためには、反応を繰り返すことによる反応挙动の変化の详细を明らかにするとともに、そのシミュレーションを可能にすることが求められます。
また、固体可逆反応を利用した蓄热技术を教材化するにあたって、高等学校等で利用可能な简易な装置および操作により、反応の可逆性やそれに伴う热の出入りを観测できるような実験教材の开発が必要となります。
本研究で扱った颁补颁翱3や窜苍颁翱3の热分解反応は、どちらも300℃超の温度で進行するもので、学校現場での簡易測定には向きません。そこで、教材に適した化学反応を探査するとともに、実験方法や実験装置の考案を基礎化学研究と相補的に進行していきたいと考えています。
発表を终えての感想をお闻かせください。
自身の英语能力に不安が残る中での発表ではありましたが、多くの方に闻いていただくことができ、少し自信が持てるようになりました。质疑応答では、闻き取ることが难しいこともあったが、闻き返すなどして、适切に説明できたと感じています。
また、质疑を通して、実験条件などについて新たな示唆を得ることもできました。国外の同世代の学生と交流できたことも、刺激となりました。
今回はポスター発表であり、时间の制约が无い中での発表だったため、落ち着いて発表?応対できたが、次回は口头発表での参加を検讨しているため、さらに自身の専门性および言语能力の向上が必要であることを実感させられました。
将来の进路や展望を教えてください。
初めて国外での学会に参加してみて、これから将来にわたって国内外を问わず活跃できる研究者になりたいと强く思うようになりました。
今回は基础化学分野での研究成果を発表したが、所属研究室の特徴である、基础化学と教育学の2つの専门性を持つことを目指していきたいです。そのうえで、研究成果を学会等で発表するとともに、子どもたちをはじめとした一般にも発信していける研究者になり、日本の科学教育に贡献していきたいと考えています。
寄付者へのメッセージ
初めて国际学会に参加してから、研究者になることへのモチベーションが大きく上がったように感じています。
私はこの学会に参加するまでは、漠然と「研究者」という职业になってみたいと感じている程度でした。この学会に参加して、最先端の研究に触れたことはもちろん、指导教员をはじめとした世界中の研究者が、各々の研究领域を确立しながら、强固に结びついてきたことを身近に感じることができました。そして、私自身も、その一员として活跃できるようになりたいと强く感じるようになりました。
国际学会での発表という経験もとてもためになるものでしたが、将来なりたい姿がより明瞭に见えるようになったことが、本学会に参加した一番の成果であると感じています。
このような贵重な机会を与えてくださり、诚にありがとうございました。
（2024年8月取材/基金室）
