マイクロ波加熱を用いたバイオマス炭素化機構の解明による高結晶性カーボンの合成

• Project/Area Number: 24K17559
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 中野 知佑 岡山大学, 総合技術部, サイテック・コーディネーター(特任) (20845458)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2027: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2026: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2025: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: Graphite / Carbon / マイクロ波 / 電場 / 磁場 / メカニズム

Outline of Research at the Start

本研究では，マイクロ波加熱により結晶性を自在に制御した高結晶性黒鉛を，バイオマス；木材から合成する手法を確立する。バイオマスは大気中のCO2を光合成で固定化したものであり炭素源として有望であるほか，カーボン材料は軽量・高強度かつ安定であり，金属の代替材料として期待される。
高結晶性カーボンは，触媒担持木材のマイクロ波（電場，磁場の混成波）加熱により合成可能であり，特に電場が有効であることが分かっている。一方で，低結晶カーボンを再加熱して結晶性を上げる場合は磁場が有効となる。この要因を解明するため，本研究は，触媒金属の配位環境，価数等を検討してバイオマス－金属－マイクロ波の相互作用を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は金属触媒として鉄を担持したバイオマス（木材）を用い，さらに，黒鉛化における全プロセスを再検討して，マイクロ波加熱により高結晶性カーボン（黒鉛）の合成手順を確立した。特に，触媒の含侵方法を再検討することとし，含侵手順を簡略化した。さらに，従来は主に硝酸鉄試薬を用いて触媒溶液（鉄水溶液）を調製したが，あらたに酢酸と鉄粉を用いた新しい触媒溶液調製法を確立した。これは，本プロセスを用いたカーボン合成法を将来実用化するにあたり，合成量のスケールアップ（ベンチプラントへの移行）において必須の工程である。
また，金属触媒の含浸・乾燥，予備加熱の各プロセスを経た試料を20種類以上調製し，これらに対してX線光電子分光装置（XPS）による分析を実施した。また，バイオマス内部に含浸している金属を分析するために表面をアルゴンスパッタで削りながら行う深さ分析，および電子顕微鏡観察を併用して金属の配位環境・粒子成長の度合いを検討した。その結果，金属を含侵・乾燥した直後の金属の価数は予想通り三価であった。これに対して，予備加熱（500℃）後の試料にアルゴンスパッタを併用したXPS測定を行った結果，ゼロ価の鉄が想定よりも低温域で生じていることが明らかとなった。ゼロ価の鉄は本合成プロセスにおいて重要な触媒作用を示し，金属粒子径はカーボンの結晶性に影響する。つまり，マイクロ波照射による加熱を行う前の段階において，最終生成物（結晶性カーボン）の特性を左右しうる因子があることが示唆された。よって，以降はマイクロ波加熱下の金属触媒とバイオマスの相互作用の検討・シミュレートと共に，低温下での金属の挙動を検討する。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は金属触媒として鉄を担持したバイオマス（木材）を用い，さらに，黒鉛化における全プロセスを再検討して，特にプロセス前半における最適化を概ね完了した。これにより，以後は後半プロセス；マイクロ波加熱における，黒鉛化のメカニズム；マイクロ波（電場，磁場の混成波）の電場(E)および磁場(H)それぞれと金属触媒との相互作用の検討（電磁波解析も含む）と，各プロセスにおける黒鉛化に利するパラメータの検証へ注力することが可能である。

Strategy for Future Research Activity

本年度は金属触媒として鉄を担持したバイオマス（木材）を用い，さらに，黒鉛化における全プロセスを再検討して，特にプロセス前半における最適化を概ね完了した。以後は後半プロセス；マイクロ波加熱における黒鉛化のメカニズム；マイクロ波（電場，磁場の混成波）の電場(E)および磁場(H)それぞれと金属触媒との相互作用の検討を行う。これは，シミュレーションソフトによる電磁波解析も含む。
併せて，各プロセスにおける黒鉛化に利するパラメータを検証する。とりわけ，触媒金属粒子の粒子径制御を行うパラメータを検討することとし，合成した結晶性カーボンのLIB負極材としての性能も評価する。