2017 Fiscal Year Annual Research Report
The Theory of Microwave-induced Nonequilibrium State and its Application to the Manipulation of Solid/Interfacial Chemical Reactions
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17H06156
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
和田 雄二 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (40182985)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
滝沢 博胤 東北大学, 工学研究科, 教授 (90226960)
椿 俊太郎 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (90595878)
福島 潤 東北大学, 工学研究科, 助教 (80634063)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | マイクロ波 / 触媒作用制御 / 非平衡反応場 / マイクロ波特殊効果 / マイクロ波プロセッシング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1) 固体粒子表面の非平衡局所高温場のin situ ラマン測定：マイクロ波照射in situ 顕微ラマン分光イメージング測定装置を開発した。本装置は空洞共振器には前後および側面に分光測定用の窓穴があり、半導体式発振器より電場強度、周波数、温度を厳密に制御した下でのラマン分光測定が可能となる。
2) 固体粒子表面の非平衡局所高温場のin situ温度イメージングおよびマイクロプラズマ・ラジカル観測：マイクロ波照射により固体表面上や固体粒子間に生じる非平衡の局所高温場を、長作動顕微レンズを接続した二次元二色型サーモグラフィーおよび光学系を設計した。
3) 粒子充填層を対象とする電磁波分布/熱流束シミュレーション（連成解析）手法の開発：COMSOL Multiphysicsを用いた電磁界シミュレーションと熱流束シミュレーションにより、電場振動方向に配置された触媒粒子の接触点においてマイクロ波電場が集中し、特異的な局所発熱が発生することを見出した。in situ 発光測定によりマイクロ波照射下でSiCの真球粒子の接触点において強い発光が観測され、周辺部位と比較して100-200℃近い高温に達していることが示された。本結果はマイクロ波による触媒粒子接触点における特異的な発熱を示す結果である。
4) 固体触媒反応に対するマイクロ波効果の検証：マイクロ波照射により、金属酸化物触媒による2-propanolの脱水素反応、α-Fe2O3による水の酸化反応の促進を実証した。
5) マイクロ波電磁場下での金属粒子の窒化反応促進メカニズム解析：マイクロ波照射による窒化アルミニウムの低温合成、チタン酸バリウム-コバルトフェライト複合マルチフェロイック材料の創製、還元型酸化チタンナノ粒子の創製、酸化チタン-二酸化バナジウム系スピノーダル分解挙動の解析、酸化鉄のマイクロ波気相励起ラジカル還元を実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
１）マイクロ波照射中に顕微ラマン分光イメージング測定が可能なin situ 測定系を確立した。本装置は、顕微ラマン分光イメージング装置に小型シングルモードマイクロ波空洞共振器を設置し、マイクロ波照射下かつ触媒反応中にラマン分光イメージングが可能である。さらに、半導体式のマイクロ波発振器、PID式温度制御や検波器による共振周波数のモニタリングと自動整合機能を搭載しており、入力するマイクロ波を制御することができる。本装置により、マイクロ波の照射により固体触媒層内に局所的に生じる高温反応場における触媒表面構造の変化を精緻に解析できると期待される。
２）固体表面における非平衡局所高温場の実測に用いる二次元二色サーモグラフィーを設計し、H30年度初旬に装置が導入される予定である。また、マイクロ波非平衡局所高温場を用いた革新的素材創製において、現有のin-situ発光分光装置により、窒化アルミニウムの炭素熱還元窒化反応における窒素および炭化窒素ラジカル発光を0.5 sの時間分解能で取得しており、気相励起反応が関与するマイクロ波効果の解明に向け順調な研究結果が得られている。さらに、同装置を使用して鉄酸化物還元反応における窒化炭素ラジカルの関与をその場分光観察により明らかにするなど、一部では研究計画以上の成果も得られた。
３）COMSOL Multiphysicsを用いた電磁界・熱流束シミュレーションを駆使することにより、触媒粒子接触点における特異的な局所発熱を実証することができた。さらに、in situ発光測定によりモデル被加熱物質であるSiC真球粒子の接触点の温度が周囲より100-200℃高温になることを観測し、上記のシミュレーション結果を実証することができた。
４）５）マイクロ波照射下での触媒反応や、材料合成反応において、マイクロ波を特性や効果を生かした反応系を確立した。
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| Strategy for Future Research Activity |
１）H29年度に開発したマイクロ波in situ 顕微ラマン分光イメージング装置を用いて、マイクロ波照射により触媒表面上の局所高温場における反応の促進を検証する。
２）H29年度に設計した二次元二色分光器を導入し、数10μmオーダーの空間分解能での高温局所非平衡状態の定量化する。本装置により局所高温場を定量化し、窒化アルミニウムの低温合成メカニズムを完全に解明する。さらに、in-situ分光分析装置の時間分解能・波長分解能および空間分解能を向上させる設計を進めつつ、金属粉体系における気相励起状態の分光観察実験を進める。
３）既往のシミュレーションは計算負荷を抑えるために触媒粒子を真球と仮定し、粒子を実際よりも8倍以上大きなモデルを使用。一方、実際の触媒反応では、触媒粒子の大きさは数100μmの不定形であり、さらに触媒に担持された金属粒子は5 - 50nmのスケールとなり、マイクロ波照射系のマクロなモデルと、触媒のナノ-ミクロスケールを両立するマルチスケール解析が必要となる。そこで、クラスターコンピューターTSUBAME3.0上でCOMSOL Multiphysicsを用いて実際のマイクロ波照射下での触媒反応を精緻に再現した、マイクロ波によって生成する微視的な高温反応場の形成の理解を目指す。さらに、マイクロ波周波数変調やパルス変調による非平定常的なマイクロ波照射の効果についても検討する。
４)局所のマイクロ波加熱量に重要と想定される微小領域での複素誘電率測定について、マイクロ波顕微鏡による測定系の確立に着手する。
５）メタン酸化カップリングやメタンの脱水素芳香族化などのより実用的な触媒反応系にや、半導体―磁性体のナノ固溶酸化物や異常原子価を含む新奇の強誘電・マルチフェロイック材料の合成反応に対して、上記の触媒表面上に生じる局所高温場による反応促進効果が得られることを検証する。
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[Book] Microwave Chemistry2017
Author(s)
Yuji Wada, Dai Mochizuki, Taishi Ano, Masato M. Maitani, Shuntaro Tsubaki, Naoto Haneishi
Total Pages
113-125
Publisher
Walter de Gruyter GmbH
ISBN
978-3110479928
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