2018 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 |
各種in situ計測手法を用いて、マイクロ波照射により固体触媒反応や材料プロセッシングの際に生じる特異的な加熱現象、化学結合状態の変化、およびプラズマ形成を追跡した。さらに、電磁界シミュレーションの確立やマイクロ波顕微鏡による局所誘電率解析を進めた。得られた知見を活かしつつ、マイクロ波を用いた触媒的メタン改質反応の促進や、新材料合成手法の確立を進めた。
1) マイクロ波反応のin situ 測定：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金属酸化物触媒によるアルコール類の脱水反応中に生じる活性種を観測した。金属ナノ粒子触媒系については、国際基督教大学の田旺帝教授の支援のもとマイクロ波in situ XAFS測定系を構築し、マイクロ波照射下でPtナノ粒子の電子状態の直接観測に成功した。また、高温固相系におけるマイクロ波印加中の局所温度測定については、二次元二色温度計の導入と最適化を行い、1 pixelあたり2.2 mm まで空間分解能向上させることに成功した。また、既存の発光分光総理と局所温度計測の同時観測システムを完成させた。
2) 電磁界シミュレーション手法の確立：TSUBAME3.0上でのCOMSOL Multiphysicsを用いた電磁界、熱流束の連成解析手法を確立しつつ、計算過程を工夫し研究室所有ワークステーションを用いた微小スケールの電磁界分布の解析手法の確立にも着手した。
3) 局所複素誘電率解析：産業技術総合研究所 堀部雅弘グループ長の支援を得て、マイクロ波顕微鏡によりμmスケールでの電磁波吸収性のイメージングを行い、金属酸化物電極上の局所誘電特性を明らかにした。
4) 新触媒反応・材料合成手法への応用：上記の知見を活かし、マイクロ波によってペロブスカイト型酸化物触媒によるメタン改質反応の促進や磁性半導体の合成が可能であることを示した。
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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) マイクロ波反応のin situ 測定： マイクロ波in situ ラマン分光測定装置を用いて、マイクロ波照射下での金属酸化物触媒の酸化還元挙動の直接観測に成功した。さらに、微小なナノスケールの金属ナノ粒子担持触媒については、金属選択的な観測が可能なin situ XAFS測定手法を確立し、担持金属上に局所高温場が形成されることを確認した。高空間分解能二次元二色温度計の導入をその最適化を順調に終えることができ、非平衡局所高温場の実測装置開発は当初計画通りに進んだ。また、既存の発光分光装置と局所温度計測の同時観測システムの開発も終え、マイクロ波局所非平衡反応場における高温反応系のin-situ観測開発はほぼ完了し、実測を進めている。
2) 電磁界シミュレーション手法の確立：サブナノスケールでの金属ナノ粒子担持基板の電磁界シミュレーションの計算モデルを完成させた。本モデルを用いて、より複雑な系に展開する。
3) マイクロ波顕微鏡による局所複素誘電率解析：電磁波照射下でのα-Fe2O3電極による水の電気化学的酸化反応の特異的な向上が、電着により形成された粒子間での電磁波吸収によって生じている可能性が高いことを示した。
4) 新触媒反応・材料合成手法への応用：ペロブスカイト型金属酸化物触媒を介したメタンの改質が、5.8GHzの磁場において特異的に促進されることを見出した。また、金属粒子の窒化メカニズムに関して、上記システムを用いた発光分光・局所温度勾配測定実験に取り組んでおり、メカニズム解明に向けた実測・解析も順調に進んでいる。また、東工大グループと協力し、上記発光分光・局所温度勾配測定実験による金属酸化物還元へのマイクロ波効果が明らかとなりつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) マイクロ波反応のin situ 測定： 前年度から継続して、マイクロ波照射下でのin situ計測手法の精度向上と、本手法を用いたマイクロ波による特異的な加熱効果の解析を進める。新たに磁場型のマイクロ波装置を導入し電場と磁場の効果をそれぞれ分離して明らかにする。既存発光分光装置の改良を通じて分光解析精度を向上させ、開発済みの局所温度勾配の定量化を図る。東工大Gおよび東北大Gで確立したin situ測定系を相互に活用し、非平衡局所高温場における学理構築のための基礎実験を進める。
2) 電磁界シミュレーション： 前年度確立したサブナノスケールの金属担持粒子モデルを用いて、マイクロ波照射中の電磁場分布、発熱挙動を解析する。
3) マイクロ波顕微鏡による局所複素誘電率解析：前年度の研究において、マイクロ波顕微鏡手法が平坦基板上の誘電特性の測定に有効であることを見出している。不純物ドーピングや表面形状により局所的な電子状態を系統的に変化させた金属酸化物基板や異種接合材料を調製し、物質の物性や形状に依存したマイクロ波の吸収能の変化を明らかにする。
4) 新触媒反応・材料合成手法への応用： 昨年度、ペロブスカイト型金属酸化物触媒の中でも導電性を有する材料がマイクロ波によって急速加熱が可能であり、メタンの改質反応による高選択的なCO生成が可能であることを見出した。本年度はペロブスカイト組成や反応条件の最適化を図るとともに、1)で確立したin situ観測系を用いて反応促進機構の解明に取り組む。また、局所温度勾配による物質拡散の学理を基に、材料探索への応用も進める。具体的には、in situ観測システムで得た電場・磁場下における局所選択加熱・温度勾配の情報から、マイクロ波電場・磁場強度を自在制御可能な装置を用いて非平衡反応場を精密に制御することによる新規材料探索に取り組む。
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[Presentation] マイクロ波振動電場下におけるα-Fe2O3電極での水の酸化電流増大現象に対するTi ドープ効果2018
Author(s)
松久 将之, 岸本 史直, 藤井 知, 米谷 真人, 椿 俊太郎, 堀部 雅弘, 平野 育, 鈴木 榮一, 清水 亮太, 一杉 太郎, 和田 雄二
Organizer
第12回日本電磁波エネルギー応用学会
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