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2013 年度 実施状況報告書

マイクロ波加熱によって発生するホットスポットの生成メカニズムとその制御

研究課題

研究課題/領域番号 25420820
研究種目

基盤研究(C)

研究機関上智大学

研究代表者

堀越 智  上智大学, 理工学部, 准教授 (50424784)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワードマイクロ波化学 / ホットスポット / 固体触媒 / 有機合成
研究概要

申請者らはマイクロ波による固体触媒表面で発生するホットスポットを、ハイスピードカメラで始めて観測に成功した。また、このホットスポットは固体触媒粒子間で発生することを予想した。本年度はこの予測を実証するため理論と実験を行った。申請で購入したベクトル・ネットワークアナライザにより活性炭(触媒担体)や溶液の誘電因子を実測し、そのデータを用いた触媒近傍の電場強度のシミュレーションを行った。電磁界シミュレーターとしてCOMSOL Multiphysicsを用い、模擬的に作成した活性炭粒子をトルエンなどの溶媒中に分散させ、2.45GHzマイクロ波を照射し、粒子間の位置に対する電場の強度を可視化した。様々な間隔で計算を行うと、数マイクロメータの間隔に粒子が離れると電場が数百倍に集中することが示された。このような現象は、金属ナノ粒子などで見られる表面増強プラズモンに類似の現象であることが分かった。また、実験観察においてホットスポットの発生メカニズムは活性炭表面の分極が関連していると予想できたため、マイクロ波の電場や磁場の方向によって発生効率が変わると考えられる。この点は、次年度の実験で証明する。
マイクロ波の吸収のない樹脂基盤へ、様々な間隔で活性炭粒子を固定化し、マイクロ波照射によるホットスポットの発生効率や発生のために必要な間隔を観察すると、約9マイクロメートルの間隔が最もホットスポットが発生することが分かった。理論的に算出された結果と実験値が合致したことから、シミュレーションの精度が高いことが示された。また、溶媒を水などの極性溶媒に変えるとホットスポットの発生挙動が変化することが分かった。一方、金属触媒を担持させた活性炭粒子では、ホットスポットに対して金属触媒の影響がないことが分かった。

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

本研究の申請予算の大半はベクトル・ネットワークアナライザの購入を予定しており、この点は研究開始後すぐに購入できたため時間的ロスもなく計画通り研究を進めることができた。また、研究自体も大きな問題はなく、スケジュール通りの理論計算と実験から考察を導き出すことができたため、予定通りの結果を得られた。

今後の研究の推進方策

申請計画に基づき、シングルモードアプリケータを試作し、電場と磁場に対するホットスポットの振る舞いや、マイクロ波周波数効果の影響などを調べる。

  • 研究成果

    (37件)

すべて 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (14件) (うち査読あり 13件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (18件) (うち招待講演 8件) 図書 (5件)

  • [雑誌論文] Role of microwaves in heterogeneous catalytic systems2014

    • 著者名/発表者名
      S. Horikoshi, N. Serpone
    • 雑誌名

      Catal. Sci. Technol.

      巻: 4 ページ: 1197-1210

    • DOI

      10.1039/C3CY00753G

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Efficient degassing of dissolved oxygen in aqueous media by microwave irradiation and the effect of microwaves on a reaction catalyzed by Wilkinson’s catalyst2014

    • 著者名/発表者名
      S. Horikoshi, S. Matsuzaki, S. Sakamoto, N. Serpone
    • 雑誌名

      Radiation Phys. Chem.

      巻: 97 ページ: 48-55

    • DOI

      10.1016/j.radphyschem.2013.10.020

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] マイクロ波照射光触媒による迅速水処理技2014

    • 著者名/発表者名
      堀越 智
    • 雑誌名

      静電気学会誌

      巻: 38 ページ: 95-100

    • 査読あり
  • [雑誌論文] On the influence of the microwaves’ thermal and non-thermal effects2014

    • 著者名/発表者名
      S. Horikoshi, N. Serpone
    • 雑誌名

      Catalysis Today

      巻: 224 ページ: 225-235

    • DOI

      10.1016/j.cattod.2013.10.056

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Influence of lattice distortion and oxygen vacancies on the UV-driven/microwaveassisted TiO2 photocatalysis2014

    • 著者名/発表者名
      S. Horikoshi, Y. Minatodani, H. Tsutsumi, H. Uchida, M. Abe, N. Serpone
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      巻: 265 ページ: 20-28

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2013.05.010

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 高周波誘電加熱を用いた高品質プラスチックレンズの迅速製造技術2013

    • 著者名/発表者名
      堀越 智, 来田文夫, 中出義彦
    • 雑誌名

      プラスチックス

      巻: 8 ページ: 37-40

    • 査読あり
  • [雑誌論文] マイクロ波(非熱)効果の真相は?-マイクロ波を用いた化学反応の促進機構を解明する2013

    • 著者名/発表者名
      堀越 智
    • 雑誌名

      化学

      巻: 68 ページ: 68-69

  • [雑誌論文] Control of Microwave-generated Hot Spots. Part V. Mechanisms of Hot-spot Generation and Aggregation of Catalyst in a Microwave-assisted Reaction in Toluene Catalyzed by Pd-loaded AC Particulates2013

    • 著者名/発表者名
      S. Horikoshi, A. Osawa, S. Sakamoto, N. Serpone
    • 雑誌名

      Applied Catalysis A: General

      巻: 460-461 ページ: 52-60

    • DOI

      10.1016/j.apcata.2013.04.022

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Formation and Efficacy of TiO2/AC Composites Prepared Under Microwave Irradiation in the Photoinduced Transformation of the 2-Propanol VOC Pollutant in Air2013

    • 著者名/発表者名
      S. Horikoshi, S. Sakamoto, N. Serpone
    • 雑誌名

      Applied Catalysis B: Environmental

      巻: 140-141 ページ: 646-651

    • DOI

      10.1016/j.apcatb.2013.04.060

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Microwave’s synthesis, extraction, improvement and degradation in oil chemistry2013

    • 著者名/発表者名
      T. Sumi, S. Horikoshi
    • 雑誌名

      Journal of Oleo Science

      巻: 62 ページ: 443-451

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Hybrid Microreactor/Microwave High-Pressure Flow System of a Novel Concept Design and its Application to the Synthesis of Silver Nanoparticles2013

    • 著者名/発表者名
      S. Horikoshi, T. Sumi, N. Serpone
    • 雑誌名

      Chemical Engineering and Processing

      巻: 73 ページ: 59-66

    • DOI

      10.1016/j.cep.2013.07.009

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Control of microwave-generated hot spots. Part IV. Control of hot spots on a heterogeneous microwave-absorber catalyst surface by a hybrid internal/external heating method2013

    • 著者名/発表者名
      S. Horikoshi, A. Osawa, S. Sakamoto, N. Serpone
    • 雑誌名

      Chemical Engineering and Processing

      巻: 69 ページ: 52-56

    • DOI

      10.1016/j.cep.2013.02.003

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Rapid synthesis of Gemini surfactants using a novel 915-MHz microwave apparatus2013

    • 著者名/発表者名
      S. Horikoshi, T. Sato, M. Abe, N. Serpone
    • 雑誌名

      Journal of Oleo Science

      巻: 62 ページ: 39-44

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Kinetics of the photocatalytic degradation of methylamine: Influence of pH and of UV-A/UV-B radiant fluxes2013

    • 著者名/発表者名
      S. Helali, F. Dappozze, S. Horikoshi, T. H. Bui, N. Perol, C. Guillard
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      巻: 255 ページ: 50-57

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2012.12.022

    • 査読あり
  • [学会発表] Nanoscience/Nanotechnology and the Role of Microwave Radiation2013

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Horikoshi, Nick Serpone
    • 学会等名
      The 18th International Conference on TiO2 photocatalysis: Fundamentals and applications
    • 発表場所
      アメリカ
    • 年月日
      20131107-20131110
    • 招待講演
  • [学会発表] アスベストのマイクロ波及び高温集塵による無害化処理技術2013

    • 著者名/発表者名
      篠原真毅、樫村京一郎、佐藤元泰、吉川昇、堀越 智、米田沙織、木嶋敬昌
    • 学会等名
      粉体工学会秋期研究発表会
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      20131008-20131009
  • [学会発表] Microwave effect(s) on heterogeneous TiO2 photocatalytic system2013

    • 著者名/発表者名
      S. Horikoshi
    • 学会等名
      The 2nd International Conference on Photocatalytic and Advanced Oxidation Technologies for Treatment of Water, Air, Soil and Surfaces (PAOT-2)
    • 発表場所
      Poland
    • 年月日
      20130909-20130912
    • 招待講演
  • [学会発表] Formation of TiO2/AC Composites Prepared under Microwave Irradiation and its Efficacy Test in Photodegradation of 2-Propanol2013

    • 著者名/発表者名
      S. Sakamoto, S. Horikoshi, N. Serpone
    • 学会等名
      The 2nd International Conference on Photocatalytic and Advanced Oxidation Technologies for Treatment of Water, Air, Soil and Surfaces (PAOT-2)
    • 発表場所
      Poland
    • 年月日
      20130909-20130912
  • [学会発表] 極性・非混合溶媒におけるマイクロ波加熱の特徴2013

    • 著者名/発表者名
      鷲見卓也、堀越 智
    • 学会等名
      第36回溶液化学シンポジウム
    • 発表場所
      北海道
    • 年月日
      20130909-20130911
  • [学会発表] 複素誘電率の温度および周波数依存性を利用した有機化学反応2013

    • 著者名/発表者名
      堀越 智
    • 学会等名
      第7回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130903-20130904
  • [学会発表] 極性・非混合溶媒におけるマイクロ波加熱の特徴2013

    • 著者名/発表者名
      鷲見卓也、堀越 智
    • 学会等名
      第7回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130903-20130904
  • [学会発表] マイクロ波による瓦礫中の有害物質迅速処理-大型試験機運用試験-2013

    • 著者名/発表者名
      樫村京一郎、米田沙織、木嶋敬昌、堀越 智、吉川 昇、佐藤元泰、篠原真毅
    • 学会等名
      第7回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130903-20130904
  • [学会発表] マイクロ波照射によるTiO2/ACコンポジット材料の合成と評価2013

    • 著者名/発表者名
      坂本新太郎、堀越 智
    • 学会等名
      第7回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130903-20130904
  • [学会発表] 5.8GHzマイクロ波を用いた酵素反応におけるマイクロ波効果の検討2013

    • 著者名/発表者名
      中村太知郎、堀越 智
    • 学会等名
      第7回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130903-20130904
  • [学会発表] A hybrid microreactor/microwave high-pressure flow system of a novel concept design and its application to the synthesis of silver nanoparticles2013

    • 著者名/発表者名
      S. Horikoshi and N. Serpone
    • 学会等名
      Microwave and Flow Chemistry Conference
    • 発表場所
      アメリカ
    • 年月日
      20130720-20130722
    • 招待講演
  • [学会発表] マイクロリアクター/マイクロ波高圧連続合成装置を用いたAgナノ粒子合成2013

    • 著者名/発表者名
      堀越 智、鷲見卓也
    • 学会等名
      ナノ学会11回大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130605-20130607
  • [学会発表] マイクロ波磁場効果によるAgナノ粒子合成2013

    • 著者名/発表者名
      鷲見卓也、堀越 智
    • 学会等名
      ナノ学会11回大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130605-20130607
  • [学会発表] マイクロ波化学の基礎

    • 著者名/発表者名
      堀越 智
    • 学会等名
      近畿化学協会第60回セミナー
    • 発表場所
      大阪
    • 招待講演
  • [学会発表] マイクロ波化学の基礎

    • 著者名/発表者名
      堀越 智
    • 学会等名
      福井大学セミナー
    • 発表場所
      福井
    • 招待講演
  • [学会発表] Microwave Chemistry

    • 著者名/発表者名
      S. Horikoshi
    • 学会等名
      Turin University seminar
    • 発表場所
      イタリアトリノ
    • 招待講演
  • [学会発表] マイクロ波化学の基礎

    • 著者名/発表者名
      堀越 智
    • 学会等名
      日本セラミック協会 第47回基礎科学部会セミナー
    • 発表場所
      東京
    • 招待講演
  • [学会発表] マイクロ波化学の基礎

    • 著者名/発表者名
      堀越 智
    • 学会等名
      IEEE MTTC Kansai Chapterワークショップ
    • 発表場所
      京都
    • 招待講演
  • [図書] 図解 環境化学工学2014

    • 著者名/発表者名
      堀越 智 (編著)、菊池康紀、大橋憲司
    • 総ページ数
      178
    • 出版者
      日刊工業新聞社出版
  • [図書] 図解 メタマテリアル2013

    • 著者名/発表者名
      堀越 智 (編著)、萩行正憲、高野恵介、田中拓男、上田哲也
    • 総ページ数
      191
    • 出版者
      日刊工業新聞社出版
  • [図書] マイクロ波化学2013

    • 著者名/発表者名
      堀越 智 (編著)、滝澤博胤、篠原真毅
    • 総ページ数
      240
    • 出版者
      三共出版株式会社
  • [図書] Microwaves in Nanoparticle - Synthesis; Fundamentals and Applications -2013

    • 著者名/発表者名
      編集・著者 Satoshi Horikoshi, Nick Serpone
    • 総ページ数
      352
    • 出版者
      Wiley-VCH, Weinheim, Germany
  • [図書] Photo-Electrochemistry & Photo-Biology for the Sustainability2013

    • 著者名/発表者名
      S. Horikoshi and N. Serpone
    • 総ページ数
      200
    • 出版者
      Union publisher.

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公開日: 2015-05-28  

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