マイクロ波加熱によって誘起されるナノ局所高温場の理解と触媒反応への応用

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化学反応プロセスにマイクロ波加熱手法を適用することで反応の短時間化や反応系の低温化が達成される．特に担持金属ナノ粒子を触媒とした反応系では，化学反応場として機能する金属ナノ粒子への効率的なエネルギー供給が誘起され，金属ナノ粒子の局所高温化に基づく劇的なマイクロ波効果が期待される．一方で，ナノメートルスケールの物質を対象とした温度測定は難しく，マイクロ波加熱下における担持金属ナノ粒子の局所温度上昇の定量がされずその制御方針が未構築であった．本研究では，担持白金ナノ粒子触媒に対してマイクロ波加熱下その場X線吸収分光測定を適用し，白金ナノ粒子の局所温度実測を達成した．X線吸収分光は元素選択的な分析が可能であり，またX線吸収スペクトルの解析によって得られるデバイワラー因子が温度依存的に変化するため，デバイワラー因子の値を基に白金ナノ粒子の温度を算出した．アルミナ担持白金触媒の粉末をペレットとし，マイクロ波加熱下において赤外放射温度計で測定したペレット表面の温度が378 Kであったとき，X線吸収分光により白金ナノ粒子の温度が479 Kと算出された．ここで，白金ナノ粒子の温度が局所的に高温化していることが明らかとなった．さらにシリカ担持白金触媒について同様の実験を行うと，白金ナノ粒子の温度は603 Kと算出され非常に高温の局所高温場が観測された．これらの触媒を2-プロパノールの脱水素反応に適用しアセトンの収率を比較したところ，担体をシリカとした場合により大きなマイクロ波効果が得られ，白金ナノ粒子の局所高温化による触媒反応速度の向上が示された．本研究によって，その場X線吸収分光測定を利用した金属ナノ粒子の局所高温化の定量が可能となり，局所高温場の設計方針を築くための手法が確立された．将来的に，局所高温場を積極的に利用した化学プロセスの実現に貢献することを期待する．