| 研究課題/領域番号 |
25249113
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
和田 雄二 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (40182985)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | マイクロ波 / 非平衡 / 局所加熱 / 電子移動 / 界面 |
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| 研究実績の概要 |
接触界面における界面分極発熱現象の解明：フッ素ドープ酸化スズ透明電極上に塗布した酸化チタンペーストの特異的なマイクロ波照射下における発熱現象の機構解明を行った。接触界面における高次非線形現象の観測により、界面に生じた電気双極子がマイクロ波界面分極発熱現象の原因であることを解明した。この界面分極による発熱現象が、接触する２種の物質の仕事関数の関係から理解できることがわかり、シリカ上の白金等でもこの発熱現象が起こることを見出した。金属酸化物に担持した触媒の局所加熱への応用研究へ展開した。
粉体充填触媒層のマイクロ波加熱現象の解析：固体触媒粉体の稠密充填層に対するマイクロ波照射による加熱現象を実験的に調べ、その温度分布を電磁波分布シミュレーションと熱流シミュレーションによる連成解析により体系的に検討した。特に、触媒粒子間の接触点における電場集中と高効率発熱の解析に大きな進展があった。
電場・磁場による電子エネルギー摂動現象―分散金属表面における電子授受反応に対するマイクロ波効果の検証:マイクロ波による電子移動への効果を単純な反応系で見るために一電子移動反応に注目し、Ni金属粒子によるビオロゲン誘導体またはコバルト錯体の一電子還元反応でその検証を行った。還元電位の高い分子への電子移動に対して、マイクロ波促進効果が大きい傾向が確認でき、また、振動磁場ではなく振動電場による促進効果が確認できた。電子移動反応の活性化エネルギーとマイクロ波効果の相関を考慮して、マーカス理論により解析を行った。
電極表面電子移動反応に対するマイクロ波効果の検証： FTO電極上に酸化鉄半導体粒子を堆積させ、固定化することで電極を作成し、印加した状態で起こる水の酸化電流がマイクロ波照射下で増大する現象を発見した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
化学反応系に対するマイクロ波の特殊効果を理解するために掲げた２つの目標とも、予定していた成果以上の明確な結果を得ることができた。第１は、マイクロ波特有の物質選択的、かつ局所的な発熱現象の解明である。特に、界面加熱ならびに粒子接触点の選択加熱現象は、いままで経験的には一部で知られていた現象であるが、これらを振動電磁波の挙動として理解する基盤実験ができたのは大きな成果と考えている。これらの現象は、材料科学、触媒化学、機能化学において、マイクロ波で初めて可能となる応用技術へ展開できる。第２の成果は、電子移動反応に対するマイクロ波効果が顕著に観測できる系を拡大することに成功したことである。硫化カドミウムナノ粒子中に発生した励起電子の移動が、マイクロ波によって促進されること、アノード上における水酸化反応がマイクロ波によって促進される現象を発見したことは、今後の展開に大きな展望を与えるものである。個々の事例の数が増えてゆくことで、マイクロ波特殊効果の一般的理解への道が拓けてゆく。
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| 今後の研究の推進方策 |
マイクロ波による局所選択的加熱現象の完全理解をするためには、１）ナノ粒子充填系中のマイクロ波の電磁場分布のシミュレーション、２）充填系内の熱流シミュレーションの双方を連成した解析の手法を開発する必要がある。これらの解析結果を実験データと比較検討することによって、局所選択的加熱現象を完全に記述することを可能とし、最終的には、固体触媒系、固固反応系のマイクロ波制御法として体系化する。固体触媒系としては、金属酸化物触媒上におけるアルカンの酸化、部分酸化反応、固固反応系としては、還元剤と金属酸化物混合系による金属精錬技術として展開する。マイクロ波による電子移動促進効果については、電極系を中心に、促進機構を理解するための研究を行う。形状と組成の明確な半導体電極を用いて、精密な実験を起ない、シミュレーションと合わせて、総合的な理解へと進める。
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