マイクロ波エネルギーを1原子に集中させて化学反応~クリーンな手法で二酸化炭素を高効率変換~

2025-10-11 東京大学

東京大学大学院工学系研究科の岸本史直講師、高鍋和広教授らは、名古屋大学・高輝度光科学研究センターとの共同研究で、マイクロ波を1原子に集中照射して二酸化炭素を高効率に変換する手法を世界で初めて実証した。電子レンジと同じ原理のマイクロ波を、ゼオライト触媒中の金属イオン1原子(インジウム)に集中させ、二酸化炭素と水素を一酸化炭素に変換する「逆水性ガスシフト反応」を効率的に進行させた。放射光施設SPring-8でのX線全散乱測定により、マイクロ波がインジウム原子を選択的に加熱していることを実験的に確認。通常加熱法に比べ、化学反応へのエネルギー変換効率が4倍以上向上した。この成果は、再生可能エネルギーと組み合わせた化学産業の電化を促進し、二酸化炭素削減とグリーントランスフォーメーション(GX)に貢献する画期的技術である。成果は『Science Advances』誌に掲載。

マイクロ波エネルギーを1原子に集中させて化学反応~クリーンな手法で二酸化炭素を高効率変換~
マイクロ波1原子加熱が実現する二酸化炭素削減シナリオ

<関連情報>

エコ触媒のための原子マイクロ波アンテナサイトへの集中熱エネルギー Focused thermal energy at atomic microwave antenna sites for ecocatalysis

Ryo Ishibashi, Fuminao Kishimoto, Tatsushi Yoshioka, Hiroki Yamada, […] , and Kazuhiro Takanabe
Science Advances  Published:10 Oct 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.ady4043

Abstract

Green transformation demands efficient protocols to convert renewable energy into usable forms. Microwave (MW)–driven catalytic systems offer a promising electrification strategy for chemical processes by enabling targeted, energy-efficient reactions. Unlike conventional heating, MW irradiation can localize energy at catalytic active sites. A major breakthrough is the selective MW heating of isolated metal ions or nanoparticles. This study presents a general catalyst design strategy to control MW-induced heating of single metal ions by tuning the zeolite framework and electrostatic interactions. Key structural and electronic factors governing atomic-scale energy localization are identified. Applying this approach to the reverse water-gas shift reaction results in energy efficiency improvements via targeted heating of single-ion sites. These findings mark a milestone in MW-assisted catalysis, establishing a framework for using MW energy in heterogeneous systems. The work introduces design principles for single-atom-antenna MW catalysts, advancing the development of next-generation catalytic reactors driven by electromagnetic energy.

0505化学装置及び設備
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