| 研究課題/領域番号 |
25249113
|
|---|
| 研究機関 | 東京工業大学 |
|---|
研究代表者 |
和田 雄二 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (40182985)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2018-03-31
|
| キーワード | マイクロ波 / マイクロ波特殊効果 / 非平衡 / 局所加熱 / 電子移動 / 界面加熱 |
|---|
| 研究実績の概要 |
１）固体触媒充填層内におけるマイクロ波電磁場分布解析と温度分布解析と触媒作用に関する検討：マグネタイト固体触媒充填層内の電磁場分布をCOMSOL Physicsを用いて、解析し、さらに熱流束シミュレーションによる連成解析により、層内の温度分布が中心の高音部から周辺に温度が低下する状況を予測した。この温度分布が、実際のマイクロ波照射下における温度測定と一致することを確認し、これを用いて再現した触媒反応速度が、マイクロ波照射下で得られる実測値より小さいことを確認した。この結果は、マイクロ波の非熱的な反応速度加速現象の存在を示唆している。
２）異種物質界面加熱現象の詳細な検討：酸化チタン、アルミナ担体にPtを担持した触媒では、それぞれの成分単独では起こらないマイクロ波発熱現象が進行することを見出した。他の物質の組み合わせでもこの現象は起こる。モデル系における第２次高調波発生現象ならびにKFP顕微鏡による観測から、界面での電荷移動により生じた界面に直交する双極子がマイクロ波損失を引き起こしている機構を仮説として提案した。担持固体触媒のマイクロ波加熱手法への展開も検討した。
３）メタン転換反応に対するマイクロ波効果の検討：種々の金属酸化物触媒について、マイクロ波加熱特性を系統的に検討した。特にペロブスカイト酸化物が良好な加熱特性を示し、メタン酸化反応を行うとマイクロ波照射下では、一酸化炭素への部分酸化反応の選択性が向上する結果を得た。
４）ヘマタイト電極を用いた水分子電解反応におけるアノード電流応答がマイクロ波の照射に応答する形で増加する現象を見出し、その検討を進めた。現時点では、本現象の実験的確実性は担保したところである。
５）マイクロ波照射熱重量分析装置により酸化銀、酸化銅などのマイクロ波照射下での還元反応が低温化する知見を得ている。
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成28年度当初に設定した３つの大項目はそれぞれ予定通りに研究成果を挙げることができた。すなわち、「電極表面電子移動反応に対するマイクロ波効果の検証」については、ヘマタイトを電極とする水分子酸化アノード電流に対するマイクロ波の増大効果を実験的に証明し、振動電場だけが電流増大効果を示すこともわかった。「接触界面における界面分極発熱現象の解明」については、複数種の組み合わせについて、マイクロ波照射下における界面での発熱現象を確認し、特にPt/金属酸化物担体系での体系的な実験結果は、本研究において重要な知見となった。第２次高調波発生、ケルビンプローブ顕微鏡による界面における電荷移動に関する検討についても、実験結果を手にすることができており、今後の発展に向けて準備中である。「マイクロ波による金属酸化物還元反応の解析」においては、マイクロ波照射熱重量分析装置を用いて、酸化銅、酸化銀、酸化鉄の還元反応の温度低下を確認し、その解析を行った。「粉体充填触媒層のマイクロ波加熱現象の解析」については、電磁波分布シミュレーションならびに熱流束シミュレーションの連成解析の結果とマイクロ波照射下における触媒層内温度分布の実測値との比較実験を行うことができた。マイクロ波を用いた固体触媒反応の促進技術としての一般化に向かうための準備は整った。さらに、μmサイズ、あるいはサブμmサイズの粒子を対象とする解析ソフトウェア―の共同開発も進めてきた。これらの大項目に対応する成果は、次の発展に向けて十分な意義を示している。
|
| 今後の研究の推進方策 |
１）体触媒充填層内のマイクロ波挙動の解析と発熱現象の理解：触媒充填層を真球粒子の配列構造によってモデル化し、異なる粒子構成数ならびに配列構造に対して、マイクロ波照射下における電磁波分布をシミュレーションにより解析し、熱流束シミュレーションによって温度分布も予測する。この系について、実際のマイクロ波照射下におけるin situ温度分布測定を行い、シミュレーションと合わせることで、粒子充填層におけるマイクロ波発熱挙動の理解を行う。固体触媒充填層に対するマイクロ波化学の体系的理解を達成する。
２）ナノ空間におけるマイクロ波非平衡局所加熱現象のin situ測定：金属酸化物あるいは炭素の層状物質から構成した層間ナノ空間内の温度をマイクロ波照射下においてin situ測定を行い、マイクロ波照射下における非平衡局所加熱現象の直接測定を行う。感温性発光分子をナノ空間に入れ込むことにより、その発光スペクトルの温度変化をマイクロ波照射下で測定する技術を開発する。マイクロ波照射下のナノ空間を反応場として用いるための基盤的知見として蓄積する。
３）異相界面におけるマイクロ波局所発熱現象の一般的理解と触媒系制御への応用展開：金属触媒ナノ粒子/担体、金属酸化物触媒/担体などの組み合わせに対して、異相界面におけるマイクロ波局所発熱現象の観測と一般性理解の追及を行い、固体触媒活性のマイクロ波制御手法の一般化につなげる。
４）マイクロ波照射によるヘマタイト電極のアノード電流増加現象の機構理解：構造を制御したヘマタイト電極を形成し、マイクロ波照射によるアノード電流増加現象がどのような因子によって決まっているか、明確化し、機構解明を行う。
上記の成果を総合的に検討、マイクロ波を利用する固体表面における化学反応制御法への基盤体系とする試みを行う。
|
