国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学大学院理学研究科の谷口博基准教授は、東京大学大学院工学系研究科の岸本史直助教、脇原徹教授、高鍋和広教授らによる研究グループと、高輝度光科学研究センターの山田大貴研究員らと共同で、マイクロ波（注１）を照射することによって、ゼオライト（注２）内の単一イオンを原子レベルで選択的に加熱できることを示す実験的証拠を得ました。この実験では、放射光設備での高エネルギーX線を利用して、マイクロ波照射下のその場でのX線散乱測定と二体分布関数解析（注３）を組み合わせることで、ゼオライト内のイオンがマイクロ波によって特異的な振動状態になっていることを明らかにしました。これらの測定結果を、熱的な非平衡場を加味した分子動力学計算（注４）によってシミュレーションした結果と照合することで、単一イオンの原子レベル選択加熱を実証しました。さらに、選択加熱された単一イオンを活性点としたメタン酸化反応を行うことで、エタンなどの気相副生成物（注５）を抑制し、高い選択率で含酸素生成物（CO、CO2）が得られることを見出しました。今回の成果は、マイクロ波によって化学反応が起こる原子レベルの「触媒活性点（注６）」に対して選択的にエネルギーを与えることで、触媒反応を制御できることを示した例であり、省エネルギーな革新的触媒システムの開発につながることが期待されます。
◆ 化学産業において、化石燃料を使わずマイクロ波によって固体触媒を加熱することで、CO2排出量削減が期待されています。加えてマイクロ波は、触媒中の特定の部位を選択的に加熱することができ、究極的には化学反応が起こる活性点のみを選択加熱することで、劇的な省エネルギー化が期待できます。
◆ マイクロ波によって、ゼオライト細孔内の金属イオンを選択的に加熱することで、このイオンを反応場とするメタン酸化反応の速度および選択率が向上することを実証しました。先端放射光設備やシミュレーションを駆使して、この金属イオンが原子レベルで250℃以上の高温状態となっていることを突き止めました。
◆ 本成果は、従来の加熱手法では実現し得ない「触媒反応に必要な微小領域にのみエネルギーを与える」ことを実現し、触媒システムの省エネ化と、高度な反応制御を可能とします。
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（注１）マイクロ波
周波数が300 MHz～300 GHzの帯域の電磁波の一種です。一般的には、2.45 GHzのマイクロ波が電子レンジで利用されており、家庭用では食品の加熱、また工業的には窯業の乾燥工程などに用いられています。近年では化学工業において、CO2を排出しない反応器加熱手法として注目されています。本研究では、効率的なイオンの選択加熱を狙うため、より振動数の低い915 MHzのマイクロ波を用いました。
（注２）ゼオライト
ゼオライトは、結晶性多孔質アルミノシリケートの総称です。原子～分子サイズの極めて小さな細孔（2 nm）を規則的にもっており、細孔内に陽イオンを保持することができます。本研究では、比較的大きな細孔を有するフォージャサイト型ゼオライト（FAU：結晶構造の一種）の細孔内にアルカリ金属イオンを導入し、マイクロ波による原子レベル選択加熱を実証しました。
（注３）X線散乱測定と二体分布関数解析
高エネルギーのX線（本実験では61.4keV）をサンプルに照射し、散乱されたX線を測定します。散乱パターンをフーリエ変換することによって、サンプル中の原子対の存在確率を距離の関数とした二体分布関数が得られます。本研究では、この二体分布関数から細孔内イオンのマイクロ波による特異的な振動状態を解明しました。本測定はSPring-8のBL04B2ビームラインにて実施しました（課題番号2021B1394、2022A1079および2023A1295）。
（注４）分子動力学計算
多数の原子で構成される物質について、原子1つ1つの運動方程式を解くことで、原子位置やエネルギーの時間変化をシミュレーションする計算手法です。通常の分子動力学計算では、系全体が均一な温度であることを仮定しますが、今回はマイクロ波加熱を再現するために特定のイオンに対して能動的なエネルギーを付与した計算を行いました。
（注５）気相副生成物
高温のメタン酸化反応では、触媒を用いずとも気相中で反応が進行します。酸素とメタンの間で起こる連鎖的なラジカル反応によって進行し、エタンなどのC-C結合を有する炭化水素を生成します。本研究では、気相中でのメタン酸化反応を市販ソフトウェア（Chemkin）によって予測し、マイクロ波によるエタン生成の抑制が、活性点イオンの原子レベル選択加熱に基づくことを丁寧に証明しました。
（注６）触媒活性点
触媒（特に固体触媒）は、多種の元素や物質、結晶などの複合構造を有し、その大きさは触媒反応の対象となる分子より大きいことが通常です。この触媒構造中において、特に化学反応を直接司る部位を触媒活性点といいます。触媒活性点は、分子の活性化を行う部位であるため、そのサイズは原子・分子レベルの微小な大きさとなります。
〈雑誌〉Science Advances
〈題名〉Direct microwave energy input on a single cation for outstanding selective catalysis
〈著者〉Fuminao Kishimoto*, Tatsushi Yoshioka, Ryo Ishibashi, Hiroki Yamada, Koki Muraoka, Hiroki Taniguchi, Toru Wakihara, Kazuhiro Takanabe*.
〈DOI〉10.1126/sciadv.adi1744
〈URL〉https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi1744
