九州大学-研究者情報 [椿俊太郎 (准教授) 農学研究院生命機能科学部門]

マイクロ波増強電磁場による「超」高速バイオマス-炭素熱還元
2022.04～2025.03, 代表者：椿俊太郎, 九州大学, 九州大学
従来の、バイオマスの急速熱分解や金属酸化物の炭素熱還元は活性化エネルギーが高く、エネルギー消費が著しい。本研究では、マイクロ波の精密制御により反応場に局所増強電磁場を印加し、バイオマスを炭素源とした金属酸化物の炭素熱還元の高速・低温化を実現する。本目的達成のため、具体的に下記3項目に取り組む。［①装置開発］半導体増幅器による革新的マイクロ波制御技術を用いた局所マイクロ波増強反応場の自在制御の実現。［②加速機構解明］独自開発したマイクロ波 in situ XRD、XAFS、Ramanなどの各種「その場」計測を駆使しした、マイクロ波の局所増強電磁場による反応加速の直接観測と、反応加速機構の解明。［③反応加速］高温固体化学反応を加速する反応設計指針の確立、および、マイクロ波増強電磁場形成によるバイオマスを炭素源とした、低炭素排出な金属酸化物の炭素熱還元反応の達成。.

精密周波数制御マイクロ波を用いたアミン吸収剤の再生による高効率CO2回収
2021.09～2023.03, 代表者：椿俊太郎, 九州大学, 九州大学

本研究では、CO2を豊富に含むリッチ吸収剤に対し、最適な周波数のマイクロ波をアミン選択的に印加して局所的な高温状態を誘起し、CO2の脱離を促進する。周波数を精密に制御したマイクロ波装置を開発し、本装置によりCO2を含むリッチ吸収剤を高選択的に作用する最適周波数のマイクロ波を照射し、リッチ吸収剤を局所的に加熱する。反応に最適な周波数のマイクロ波を照射することにより、これまでにない低消費電力なマイクロ波化学プロセスが実現できると期待される。.

電磁波駆動触媒反応によるリグノセルロースの熱化学変換
2019.09～2023.03, 代表者：椿俊太郎, 九州大学, 九州大学
本課題では電磁波の精密制御によって触媒反応を能動的に操る手法を確立し、リグノセルロースの温和な熱化学変換を実現する。具体的には以下の３項目に取り組む。(1) 触媒材料の誘電特性に基づく電磁波駆動触媒の開発、(2) 精密制御型電磁波反応装置の開発、(3) 「その場観察」による電磁波駆動反応の促進機構の理解と触媒反応制御手法の確立。.

研究業績

主要著書

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主要原著論文

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1.	Tsubaki, Shuntaro; Matsuzawa, Tomoki; Higuchi, Tomoki; Fujii, Satoshi; Wada, Yuji, Determining the influence of microwave-induced thermal unevenness on vanadium oxide catalyst particles, Chemical Engineering Journal, 10.1016/j.cej.2021.133603, 433, 2, 133603, 2022.04.
2.	Taishi Ano, Shuntaro Tsubaki, Anyue Liu, Masayuki Matsuhisa, Satoshi Fujii, Ken Motokura, Wang Jae Chun, Yuji Wada, Probing the temperature of supported platinum nanoparticles under microwave irradiation by in situ and operando XAFS, Communications Chemistry, 10.1038/s42004-020-0333-y, 3, 1, 2020.12, © 2020, The Author(s). Microwave irradiation can cause high local temperatures at supported metal nanoparticles, which can enhance reaction rates. Here we discuss the temperature of platinum nanoparticles on γ-Al2O3 and SiO2 supports under microwave irradiation using the Debye–Waller factor obtained from in situ extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) measurements. Microwave irradiation exhibits considerably smaller Deby–Waller factors than conventional heating, indicating the high local temperature at the nanoparticles. The difference in the average temperatures between the platinum nanoparticles and the bulk under microwaves reaches 26 K and 132 K for Pt/Al2O3 and Pt/SiO2, respectively. As a result, Pt/SiO2 exhibits considerably more reaction acceleration for the catalytic dehydrogenation of 2-propanol under microwave irradiation than Pt/Al2O3. We also find microwaves enhance the reduction of PtOx nanoparticles by using operando X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy. The present results indicate that significant local heating of platinum nanoparticles by microwaves is effective for the acceleration of catalytic reactions..
3.	Shuntaro Tsubaki, Kosuke Furusawa, Hidetaka Yamada, Tsuguhiro Kato, Takayuki Higashii, Satoshi Fujii, Yuji Wada, Insights into the Dielectric-Heating-Enhanced Regeneration of CO2-Rich Aqueous Amine Solutions, ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 10.1021/acssuschemeng.0c05342, 8, 36, 13593-13599, 2020.09, Copyright © 2020 American Chemical Society. Microwaves (MW) and radio frequency (RF) dielectric heating were used to facilitate the regeneration of CO2-rich amine solutions, and the mechanism of the rate enhancement by dielectric heating was discussed. Dielectric measurements of aqueous solutions of monoethanolamine (primary amine), 2-(ethylamino)ethanol (secondary amine), and N-methyl diethanolamine (tertiary amine) revealed that the formation of carbamate and bicarbonate ions by CO2 absorption improves the dielectric loss tangent. Dielectric heating by MWs (2.45 GHz, 915 MHz) and RF (200 MHz) was compared to facilitate regeneration of the CO2-rich amine solution at a constant power of 40 W. The CO2 release rate was the highest at 2.45 GHz in all aqueous amine solutions, which was 1.47 to 1.74 times that of conventional heating by an oil bath operated at 120 °C. However, the CO2 release rate decreased as the frequency decreased to 915 and 200 MHz. Electromagnetic field simulation suggested that CO2 release was enhanced owing to the generation of a more intense electric field at 2.45 GHz than at lower frequencies..
4.	Tsubaki, Shuntaro; Nakasako, Yuki; Ohara, Noriko; Nishioka, Masateru; Fujii, Satoshi; Wada, Yuji, Ultra-fast pyrolysis of lignocellulose using highly tuned microwaves: synergistic effect of a cylindrical cavity resonator and a frequency-auto-tracking solid-state microwave generator, GREEN CHEMISTRY, 10.1039/c9gc02745a, 22, 2, 342-351, 2020.01.
5.	S. Tsubaki, S. Hayakawa, S. Ueda, S. Fujii, E. Suzuki, J. Zhang, A. Bond, Y. Wada, Radio frequency alternating electromagnetic field enhanced tetraruthenium polyoxometalate electrocatalytic water oxidation, Chemical Communications, 55, 8, 1032-1035, 2019.01.

主要総説, 論評, 解説, 書評, 報告書等

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主要学会発表等

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1.	Shuntaro Tsubaki, The Microwave-controlled Catalytic Reactions: Its Theory and Application, The 4th Global Congress on Microwave Energy Applications, 2022.08.

特許出願・取得

特許出願件数 2件

特許登録件数 4件

学会活動

所属学会名

日本食品科学工学会

日本鉄鋼協会

日本化学会

触媒学会

日本農芸化学会

日本電磁波エネルギー応用学会

高分子学会

日本藻類学会

日本糖質学会

日本エネルギー学会

日本木材学会

四国マイクロ波プロセス研究会

学協会役員等への就任

2022.04～2024.03, 京都大学生存圏研究所, 運営委員.

2022.12～2025.03, The 5th Global Congress on Microwave Energy Applications 2023 (5GCMEA 2024), 運営委員.

2022.03～2023.02, 日本農芸化学会, 支部参与.

2015.06～2022.06, 日本エネルギー学会, 幹事.

2020.04～2022.05, 日本学術振興会産学協力委員会電磁波励起反応場 R024委員会, 幹事.

2018.05～2022.05, 日本電磁波エネルギー応用学会, 理事.

学会大会・会議・シンポジウム等における役割

2022.03～2022.07.29, The 9th Tokyo Conference on Advanced Catalytic Science and Technology(TOCAT-9), 現地実行委員.

2021.08～2022.08.01, The 4th Global Congress on Microwave Energy Applications (4GCMEA 2022), Technical Program Committee Members.

2022.01.19～2022.01.20, 第17回バイオマス科学会議 - 日本エネルギー学会, 幹事.

学術論文等の審査

年度	外国語雑誌査読論文数	日本語雑誌査読論文数	国際会議録査読論文数	国内会議録査読論文数	合計
2022年度	26	0	5	0	31

受賞

The Best Oral Presentation, HPI-APA International Conference on Innovation in Polymer Science and Technology, 2011.12.

第 62 回日本木材学会大会優秀ポスター賞, 日本木材学会, 2012.03.

第 24 回研究発表会研究発表賞（口頭発表）, 日本木材学会中国・四国支部, 2012.09.

JEMEA ベストポスター賞, 日本電磁波エネルギー応用学会, 2013.09.

第1回日本電磁波エネルギー応用学会JEMEA進歩賞, 日本電磁波エネルギー応用学会, 2015.11.

第 8 回新化学技術研究奨励賞, JACI 新化学技術推進協会, 2019.06.

物質理工学院研究奨励賞, 東京工業大学, 2019.01.

物質理工学院東工大工系教育賞, 東京工業大学, 2019.01.

2020年度日本エネルギー学会進歩賞(学術部門), 日本エネルギー学会, 2020.11.

研究資金

科学研究費補助金の採択状況(文部科学省、日本学術振興会)

2023年度～2024年度, 挑戦的研究（萌芽）, 代表, 高周波によるプロトン移動制御、および有機廃棄物資源を電子源とした水素生成への応用.

2022年度～2024年度, 基盤研究(B), 代表, マイクロ波増強電磁場による「超」高速バイオマス-炭素熱還元.

2015年度～2016年度, 挑戦的萌芽研究, 分担, 次世代バイオマス資源の高選択的変換に有効に働く固体触媒の創製.

2015年度～2016年度, 若手研究(A,B), 代表, マイクロ波により活性化される新規固体酸触媒の開発、およびバイオマス変換への応用.

2017年度～2020年度, 若手研究(A,B), 代表, 高周波電磁界の印加によるバイオマスの高効率電解酸化.

2017年度～2021年度, 基盤研究(S), 分担, マイクロ波誘起非平衡状態の学理とその固体・界面化学反応制御法への応用展開.

2021年度～2022年度, 挑戦的研究（萌芽）, 代表, 精密周波数制御マイクロ波を用いたアミン吸収剤の再生による高効率CO2回収.

競争的資金(受託研究を含む)の採択状況

2023年度～2025年度, 環境問題対応型研究（ミディアムファンディング型）, 代表, 空間電力合成マイクロ波加熱を利用した有機廃棄物の高速炭化システムの開発.

2023年度～2024年度, 公益財団法人旭硝子財団2023年度研究奨励, 代表, マイクロ波精密熱化学変換による有機廃棄物のケミカルリサイクル.

2022年度～2023年度, 日本鉄鋼協会鉄鋼カーボンニュートラル研究助成, 代表, マイクロ波スイッチングを利用した化学吸収法による高効率二酸化炭素回収技術の開発.

2010年度～2011年度, 東和食品研究振興会平成22年度学術奨励金, 代表, マイクロ波加熱を用いた、緑茶飲料抽出残渣からの脂肪酸ポリエステルの高効率な単離方法の開発.

2021年度～2021年度, 松籟科学技術財団研究助成第38回研究助成, 代表, 精密制御マイクロ波による「超」急速加熱を用いたバイオマスおよび二酸化炭素の高度利用技術.

2012年度～2013年度, 2012年度住友財団環境研究助成, 代表, 未利用バイオマスを原料とした新規バイオディーゼル燃料製造方法の開発.

2012年度～2013年度, 研究成果最適展開支援プログラム（A-STEP）探索タイプ, 代表, 新規マイクロ波高活性化固体触媒の開発と、海藻バイオマスからのラムノース製造への応用.

2015年度～2016年度, 研究成果展開事業マッチングプランナープログラム探索試験, レクチンを高濃度に含有する海藻類「緑藻ミル」の高速大量培養技術の開発.

2015年度～2015年度, 国際科学技術財団研究助成金, 代表, プロトンリレーを利用したマイクロ波活性化型固体触媒の開発と、糖質バイオマスの加水分解への応用.

2016年度～2017年度, 研究成果展開事業マッチングプランナープログラム「企業ニーズ解決試験」, ミナミアオノリを用いた迅速炭素固定化技術の開発と、13Ｃ標識化合物の生産への応用.

2017年度～2018年度, みずほ学術振興財団第60回工学研究助成, 代表, ミリ波加熱を用いた流通式触媒反応系の開発、およびメタン転換反応への応用.

2018年度～2019年度, 村田学術振興財団　第34回（平成30年度）研究助成, 代表, 高周波の印加による高含水有機性廃棄物の高効率酸化分解と水素の同時製造.

2018年度～2020年度, 環境研究総合推進費革新型研究開発 (若手枠), 代表, マイクロ波加熱を利用した未利用バイオマスの高速炭化システムの開発.

2018年度～2020年度, 物質構造科学研究所放射光共同利用実験, 代表, XAFS 測定によるマイクロ波照射下の金属担持触媒上の活性点の電子状態および構造のオペランド解析.

2019年度～2022年度, 戦略的創造研究推進事業 (文部科学省), 代表, 電磁波駆動触媒反応によるリグノセルロースの熱化学変換.

2020年度～2020年度, 稲盛財団　研究助成, 代表, 高周波を用いた新バイオマスガス化法の開発.

学内資金・基金等への採択状況

2023年度～2023年度, 九州大学未来社会デザイン統括本部　社会変革を先導する環境・食料リサーチコアの創出を目指したFS研究の実施, 代表, マイクロ波高精度殺菌による食品品質の強化とフードロス削減.

2022年度～2027年度, 令和５年度大学改革活性化制度, 代表, アグリバイオ×触媒融合人材によるカーボンニュートラル資源循環拠点の形成.

九大関連コンテンツ

pure2017年10月2日から、「九州大学研究者情報」を補完するデータベースとして、Elsevier社の「Pure」による研究業績の公開を開始しました。

QIR　九州大学学術情報リポジトリシステム情報科学研究院

農学部・農学研究院


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