30GHzミリ波によって駆動する
固体触媒反応
九州大学

大学院農学研究院 生命機能科学部門
准教授 椿 俊太郎
2023年10月20日

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マイクロ波を用いた化学反応プロセス
再生可能エネルギーOil⚫低温短時間操業⚫低エネルギー⚫低CO2排出⚫無触媒プロセス

既存の化学プロセス課題
石油化学資源CO2・煤煙排出 マイクロ波加熱は変動の大きな電力に合わせて瞬時に駆動
 被加熱物質を目的温度に急速加熱
 オンデマンドでの物質生産が可能

再生可能エネルギー時代の新産業プロセス2

マイクロ波を用いた化学反応プロセス
従来の電気炉加熱

マイクロ波加熱

化石資源

再エネ
マイクロ波

電気炉

充填層充填層(1) 脱炭素への貢献⚫ 触媒選択加熱⚫ 急速加熱⚫ 転化率・収率向上⚫ 反応条件緩和

低温の雰囲気CO2 90%削減

 CO2排出量: 254~444 g/kwh
 エネルギー効率：40-70%

 CO2排出量: 42~48 g/kwh
 エネルギー効率：80-90%(2) 外部刺激による新しい反応制御手法

従来の触媒化学では困難な反応を達成する手段

光(THz)・マイクロ波（MHz-GHz）・電気（DC）
3

電磁波駆動触媒反応

4マイクロ波を用いた化学反応プロセス4

電磁波駆動触媒反応
X線

UV-visWavelength
100Å

1μm

赤外ミリ波

100μm

マイクロ波

1mm

Frequency / Hz
3×1016 3×1014 3×1012 3×1010

高周波

10cm

1m

100m

2.45 GHz(12.4cm)

3×108

3×106

一般的なマイクロ波

電磁波
周波数で局所温度を制御

材料
制御因子

担持金属触媒5

マイクロ波吸収性と触媒活性の向上

電磁波駆動触媒反応

触媒上のエネルギーが必要なところにマイクロ波を供給する

T触媒活性点＜T触媒活性点＜T担体

T担体
触媒セレクション：マイクロ波吸収特性

マイクロ波吸収性
触媒活性×

最適周波数
（独自開発装置）

高密度電磁場
915MHｚ＜2.45GHz＜5.8GHz＜30ＧＨｚ6

新技術の特徴・従来技術との比較• 30 GHzシングルモード型ミリ波触媒反応装置を開発• 従来の2.45 GHz のマイクロ波と比較して、高速・低温で触媒反応（バイオマスの触媒的急速熱分解）が可能• ミリ波in situ XAFS測定により、低出力でも触媒局所が高温化することを確認(数Wのわずかな電力においても、担持金属触媒上の局所に高温反応場を形成)
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従来技術との比較
従来のマイクロ波加熱(電子レンジ)

従来のミリ波加熱

本技術

東北大 滝澤研

周波数2.45 GHz

28 GHz29 GHz – 31 GHz

電磁界強度

低高

高発振器

マグネトロン /半導体

ジャイロトロン
（高出力）

半導体
（低出力）

制御性低（マグネトロン）
高（半導体）

低高8

従来技術との比較
2.45 GHz(122 mm)

5.8 GHz(51 mm)30 GHz(10 mm)< 2400 V/m< 9280 V/m

触媒充填層< 1000 V/m

930 GHz Milli-wave Reactor

10３０GHz ミリ波触媒反応装置の設計

10①合金化による担持金属の局所物性（導電性）の制御

３０GHz ミリ波触媒反応装置の加熱性能
Max temperature (ºC)

250

担持金属触媒 (5 wt%)
200

従来のマイクロ波帯域

150ミリ波
＝短波長10050005101520Frequency (GHz)

2530351111合金触媒の30 ＧＨｚミリ波加熱挙動

12担持金属触媒によるセルロースの触媒的熱分解の加速

0.20

H2H2TGTGTemp
Temp

500

0.1420 ºC/min

0.10

3000.08

2000.060.04

380 ºC

1000.020.00
0500

01000 1500 2000 2500

Time (sec)500

0.140.12400

18 ºC/sec

0.10

300

0.08
2000.060.04
1000.020.00

H2 生成10倍00100200300

Time (sec)

H2H2500Temp
Temp0.160.16

6000.144000.12100 ºC/sec

0.100.08

2000.06
0.04
1000.020.00

40000H2 生成
1.9倍

300

Temperature (ºC)

0.12

2Temperature (ºC)

400

30 GHz0.18

H2HTemp
Temp

Production rate (mL/min/g)

0.16

反応温度
600-50 ºC 0.20

2.45 GHz

0.18

Temperature (ºC), TG (%)

Production rate (mL/min/g)

0.18

反応温度
600
-80 ºC 0.20

Production rate (mL/min/g)

TG

100

200

300

400Time (sec)Cellulose : Cat = 5 : 1, Carrier gas; Ar 100 mL/min (TG) 20 mL/min (2.45 GHz) 10 mL/min (30 GHz)Power = 40 W (2.45 GHz), 5 W (30 GHz), Detection; MS12XAFSを用いたマイクロ波照射中の担持Ptの局所温度の推測

13ミリ波加熱装置の概略図
XAFSを用いたマイクロ波照射中の担持金属の局所温度の推測

1414

XAFSを用いたマイクロ波照射中の担持金属の局所温度の推測

15FT-k3Χ(k)(Å-4)

1412102.45 GHz

0W
5W

20 W

840 W

680 W
4200

1234565656R (Å)

FT-k3Χ(k)(Å-4)

12100W
5W
10 W
20 W
30 W
40 W

5.8 GHz

864
200

123R (Å)

4FT-k3Χ(k)(Å-4)

1230 GHz

100W
1W2W4W
6W

864200123R (Å)

415XAFSを用いたマイクロ波照射中の担持金属の局所温度の推測
金属局所温度（℃）

500

400300200
2.45 GHz
5.8GHz10030 GHz
0020406080100

出力（W）
16ミリ波駆動触媒反応の特徴
1. 独自開発の30 GHzシングルモード型ミリ波加熱装置を開発

2. 半導体発振器を搭載。試料と鋭く共振するシングルモード型共振器や、試料に応じたアイリス、導波管型方向性結合器を介した電力モニタリング、E/Hチューナーによるインピーダンス整合機構を装備
3. ミリ波加熱条件を精緻に制御可能
4. 本装置とミリ波帯域の電磁波吸収性に優れた担持金属触媒を併用し、従来の電気炉や2.45 GHzのマイクロ波加熱装置と比較して、急速昇温（100℃/min）を実現
5. 短時間（60 sec以内）・低温（250℃）で触媒的熱分解が進行
6. その他の固体触媒反応にも応用可能
ミリ波：電磁波のうち波長が10 mm 以下、周波数が30 GHz以上のものを指す
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実用化に向けた課題• 30 GHz発振器の広帯域化(5G帯域～40 GHzくらい)発振効率の改良。
• 今後、幅広いモデル触媒反応について実験データを取得し、適用事例を充実（固気・固液不均一系、均一系反応）。

• 触媒カートリッジの簡便な交換機構の開発。

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想定される用途
様々な固体触媒反応• 医薬品・農薬・電子材料などのファインケミカル生産• 環境浄化（ウイルス除去）• エッセンシャルケミカル生産• マイクロフローリアクターでの有機合成反応（微小チューブに電磁波を照射） 小型カートリッジ式の反応器
 電気を用いた物質生産（産業電化）に貢献
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企業への期待触媒プロセス開発への応用• 従来の電気炉やマイクロ波加熱では困難な触媒反応

ミリ波デバイス開発によるミリ波加熱装置性能向上• ミリ波デバイス開発技術、ミリ波吸収材開発技術(５Gデバイスの高出力化)
カーボンニュートラル型触媒プロセスの達成• 電磁波加熱技術を活用による産業電化• 分散型プロセス、オンデマンド物質生産への応用
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：化学反応装置および化学反応方法• 出願番号：特願2023-134605• 出願人：国立大学法人九州大学、国立大学法人豊橋技術科学大学• 発明者：椿 俊太郎、藤井 知
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産学連携の経歴• 2012年-2013年 JST A-STEP探索タイプに採択• 2016年 JST A-STEP探索タイプに採択(分担)• 2019年-2023年 JSTさきがけに採択• 2022年 K社と研究開発コンサルティング実施• 2022年- R社と共同研究実施• 2023年- M社と共同研究実施• その他 東工大 物質理工学院所属時代に複数社との共同研究に従事

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お問い合わせ先
九州大学
オープンイノベーションプラットフォーム
サイエンスドリブンチーム
古澤 将樹
TEL：092-400-0494
e-mail：transfer@airimaq.kyushu-u.ac.jp
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