マイクロ波による触媒上の局所高温場を観測 ― 再生可能電力でバイオマスを化学原料へ変換する電化プロセスに道 ―

2026-08-03 九州大学

九州大学を中心とする研究グループは、半導体式マイクロ波を利用してバイオマスを高速に水素などの有用ガスへ変換する触媒熱分解技術を開発するとともに、その反応を支える触媒表面の局所高温場を放射光X線によるその場観察で初めて実証した。ニッケル担持触媒にマイクロ波を照射すると、ナノ粒子だけが選択的に加熱され、周囲より高温となる局所高温場が形成されることで、竹などのリグノセルロース系バイオマスが短時間で分解され、水素や一酸化炭素を効率よく生成することが確認された。さらに、マイクロ波の周波数や共振器のQ値を制御することで、エネルギー供給や生成ガスの量・組成を調整できることも示した。本成果は、従来加熱では困難だった高速・高効率なバイオマス変換を可能にする新たな電化プロセスの基盤技術であり、再生可能電力を活用した脱炭素型の化学原料・燃料製造や、水素製造技術の高度化への応用が期待される。

マイクロ波による触媒上の局所高温場を観測 ― 再生可能電力でバイオマスを化学原料へ変換する電化プロセスに道 ―
マイクロ波電場による急速熱分解と、マイクロ波磁場によるバイオチャーの急速加熱の概念図

<関連情報>

マイクロ波照射によって誘発されるニッケルナノ粒子上の局所的な高温形成により、リグノセルロースの超高速触媒熱分解が可能になる Microwave-triggered local high-temperature formation on Ni nanoparticles that enables ultra-fast catalytic pyrolysis of lignocellulose

Shuntaro Tsubaki, Jun Fukushima, Masateru Nishioka, Takeharu Sugiyama, Hisahiro Einaga, Wang-Jae Chun, Ken-ichi Kimijima, Masao Kimurai, Shunsuke Ota, Noriyuki Igura, Yuji Wada, Makoto Yasuda
Chemical Engineering Journal  Available online 7 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.179202

Highlights

  • Tuned microwaves enabled rapid catalytic pyrolysis of cellulose and bamboo.
  • H2 and CO formation were accelerated by tuned microwaves.
  • In situ XAFS & XRD revealed local high temperatures at Ni nanoparticles under MWs.
  • E- and H-field-controlled heating enabled tuning H2 and CO selectivity.

Abstract

Focused microwave (MW) heating of Ni/SiO2-Al2O3 catalysts achieved “ultra-fast” catalytic pyrolysis of lignocellulose. The MW frequency and the cavity resonator’s quality factor effectively accelerated the pyrolysis of bamboo to produce hydrogen more rapidly than conventional heating. In situ XAFS and in situ XRD provided experimental evidence for the formation of locally heated regions on Ni nanoparticles under MW irradiation. In particular, MW irradiation induced rapid Ni nanoparticle sintering at apparent bulk temperatures of 350–400 °C, whereas comparable sintering was not observed under conventional heating even at 1000 °C. These results support the presence of local high-temperature regions on Ni nanoparticles, although the exact local temperature under reaction conditions remains difficult to quantify. We conclude that MW irradiation accelerates the catalytic reforming of biomass by directly coupling MW energy to Ni nanoparticles and generating local hot spots.

0505化学装置及び設備
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