環境配慮型断熱ガスHFO1234zeEの分解機構の理論的・実験的検討

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J. Mol. Graph. Model..2020 Jul;100:107671. S1093-3263(20)30460-5. doi: 10.1016/j.jmgm.2020.107671.Epub 2020-07-08.

環境配慮型断熱ガスHFO1234zeEの分解機構の理論的・実験的検討

Theoretical and experimental investigation on decomposition mechanism of eco-friendly insulation gas HFO1234zeE.

Jingrui Wang
Qingmin Li
Heng Liu
Xuwei Huang
Jian Wang

PMID: 32663780 DOI: 10.1016/j.jmgm.2020.107671.

抄録

環境効率の高いSF代替ガスであるHFO1234zeE(trans-1,3,3,3-tetrafluoropropene)の解離挙動と分解機構を明らかにするために、コロナ放電下での分解実験と密度汎関数理論(DFT)法による理論計算を行った。HFOの排出分解生成物は、炭素数3以下のフルオロカーボン,不飽和炭化水素,飽和炭化水素を主成分とする。結合切断反応により生成するフリーラジカルであるＣＦ-、Ｆ-、Ｈ-は分解を促進するための重要な構造であり、ＨＦＯはこれらのラジカルと脱離反応により解離してＣＦ、ＣＦＨを形成する可能性が高い。CFCHCF-、CFCHCH-、CFCCHF-などの長鎖ラジカルは、CFCCH、CFCCFに分解され、小さな中間体が結合してHF、CF、CF、CHF、CFHCFH、CFを形成しやすくなる。また、Ｚ異性体に変換される可能性が高い。放電強度が高いこととイオン照射により、電極表面に現れた固体の副生成物には、カーボンダストや金属化合物が含まれている可能性がある。表面に付着した固体は電界分布にほとんど影響を与えず、ほとんどのガス分解生成物は絶縁強度を維持しているため、長期コロナ放電後の空隙破壊電圧は6.2%程度しか低下しなかった。得られた結果は、分解機構を総合的に明らかにしただけでなく、HFO1234zeEの応用可能性を探る上で有用な参考資料となった。

Decomposition experiments under corona discharge and theoretical calculations using the density functional theory (DFT) method were accomplished to clarify the dissociation behavior and decomposition mechanism of HFO1234zeE (trans-1,3,3,3-tetrafluoropropene), an eco-efficient SF alternative gas. The discharge decomposition products of HFO are mainly fluorocarbon, unsaturated hydrocarbon and saturated hydrocarbons, which are containing no more than three carbons. Free radicals, CF·, F· and H·, generated via bond-cleavage reaction are important structures to promote the decomposition, and HFO is more likely to dissociate with them by abstraction reaction to form CF and CFH. Long-chain radicals, such as CFCHCF·, CFCHCH· and CFCCHF·, will be decomposed into CFCCH and CFCCF, and small intermediates would be easier to combine to form HF, CF, CF, CHF, CFHCFH and CF. It is also likely to be converted to Z-isomer. Due to the high discharge intensity and ion bombardment, solid by-products appeared on the electrode surface may contain carbon dust and metal compounds. The solid attached to the surface has little effect on the electric field distribution, and most gas decomposition products still maintain the insulation strength, so the air-gap breakdown voltage only dropped by about 6.2% after long-term corona discharge. The obtained results not only reveal the decomposition mechanism in a comprehensive way, but also present useful reference for exploring the application potentials of HFO1234zeE.