独立行政法人产业技术综合研究所【会长：野间口裕】（以下简称“AIST”）紧凑化学过程研究中心【研究中心主任：水上不二夫】催化剂反应组【研究组组长：白井雅之】研究员西冈正树是新光化学工业株式会社【代表董事：国头】与【Hin】合作，开发了连续金属纳米粒子合成装置，并投入实用化使用连续合成质量均匀的金属纳米颗粒的工艺。该连续金属纳米粒子合成装置采用了产业技术研究院与IDX株式会社（社长：藤井水津）（以下简称“IDX”）共同开发的微波流通式反应装置技术。
用于原料溶液微波炉可以在短时间内合成粒径均匀的金属纳米粒子，但适合工业生产的连续合成是困难的。产业技术研究院开发了一种利用半导体微波源向反应管集中且均匀地照射微波的技术。在这项联合研究中，通过优化这种用于金属纳米颗粒合成的辐射技术，我们已经达到了作为一种安全装置的实用水平，可以连续合成质量稳定的金属纳米颗粒。
迄今为止，在各种金属纳米粒子的生产中，批量方法制造设备、每批次更换原材料、清洁等维护工作需要大量精力，而且还存在质量稳定性和废液处理对环境的影响等问题。通过新开发的设备，我们能够克服这些问题，实现连续合成并稳定合成的金属纳米颗粒的质量。
有关该技术的详细信息，请参阅2010年2月17日至19日在东京国际展览中心举办的国际纳米技术展览及技术会议（纳米技术2010)
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金属纳米颗粒连续合成设备的微波控制单元（左）和照射单元（右）
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金属纳米颗粒用作柔性基板、催化剂、医疗检测试剂等布线材料的原材料，还广泛用于电极材料的开发，以提高二次电池和燃料电池的性能，各种金属纳米颗粒正在开发中。在这种情况下，金属纳米颗粒的制造成本和质量稳定性成为重要因素，对大规模合成技术和连续合成产生了强烈需求。
已经提出了多种制备金属纳米颗粒的方法，包括气相法和液相法，并且一些已用于实际生产。最近，金属纳米粒子的使用量有所增加，不仅在质量方面，而且在能源消耗和二氧化碳方面2有关环境影响的要求也在不断提高，例如减少排放、最大限度地减少原材料使用和副产品的产生以及废液处理。
微波之所以被用于微波炉，是因为它们能够快速、直接地加热材料，最近也有很多研究将其应用于有机化合物的合成等化学过程。然而，由于作为电磁波的微波容易引起照射不均匀，因此反应部分的能量强度变得不规则，导致反应再现性差的问题。目前，通过用搅拌器搅拌反应液，使微波照射均匀，保证反应的重现性。
AIST与IDX合作，一直在研究和开发微波辐射技术，该技术可以在没有搅拌机构的情况下使反应区中的电磁场强度均匀化。结果表明，即使在催化剂填充床反应中，由于不需要搅拌机构，也可以实现均匀的微波加热，并且已经展示了其在气相化学反应中的应用实例，例如涂料工厂排出的挥发性有机溶剂的快速分解等。
另一方面，新光化学工业株式会社迄今为止一直在生产贵金属纳米颗粒，但由于它们是分批合成的，因此每批都需要更换和清洁原材料等许多手动任务，这引发了对生产成本增加和批次间质量稳定性增加的担忧。为此，我们正在寻找一种生产金属纳米粒子的新方法，该方法可以提高产量并实现合成过程的自动化，以适应金属纳米粒子应用的扩展，提高质量稳定性并确保可追溯性。这次，我们决定共同开发应用产业技术研究院微波照射技术的连续金属纳米粒子合成工艺。
这一成果得益于基于2008财年第二次补充预算的中小企业产品性能评估“连续纳米粒子合成工艺的开发”项目。此外，微波照射法是在2007年产业技术研究开发系统（中小企业支援型）“微波分布型反应器的开发”下与IDX共同开发的微波照射技术的应用。
TM 当在具有圆柱形腔体的金属容器内照射特定波长的微波时010可以形成（图1）。圆柱体中心轴处电场强度最大，且沿轴向电场强度均匀。我们发现，通过沿该中心轴安装管状反应管，可以均匀加热反应管内的催化剂和反应物（正在申请专利）。通常，当反应管内的催化剂或反应物发生变化时，TM010的电场分布无法维持，但是变频半导体微波发生器的微波加热装置（与IDX共同开发的产品）即使在这种条件下也始终保持稳定的TM010的电场分布并控制反应管内部温度。 TM010的电场分布反应管部以外的区域的电场强度小，容易抑制微波泄漏，因此该装置的安全性高。
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图1 圆柱空间中的TM010电场强度分布
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利用这种机制，我们开发了一种化学工艺，通过在反应管内循环液体反应物，使连续流体受到微波均匀照射（图 2）。图3为市售微波加热装置与所开发装置在金属纳米颗粒合成中使用的乙二醇溶剂的加热效率比较。所开发装置可以利用95%以上的微波照射作为加热能，表明其是一种能量转换效率较高的加热系统。这被认为是由于反应管中的最大电场强度所致（图 3）。 IDX目前正致力于将利用该机制且适用于有机合成的微波连续合成装置商业化。
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图2有机合成微波连续加热装置（图片）
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图3 加热乙二醇时的能源利用效率 *实际在产业技术研究院使用市售微波加热装置进行测量
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接下来，我们与新光化学工业株式会社合作，将这种连续微波合成装置用于金属纳米颗粒的合成工艺，并开发了一种可以连续运行而无需维护的装置。图4显示了使用该装置合成的银纳米颗粒的粒径分布，图5显示了透射电子显微镜图像。微波辐射的精确控制使得合成粒径均匀的金属纳米粒子成为可能。开发的设备在线分析化合物总量的吸收光谱，通过确保合成的金属纳米颗粒的可追溯性，可以提高产品质量。此外，原料溶液的成分可以任意、自动调节，可以轻松小批量制造多种纳米粒子。此外，它还可用于研究和开发目的，例如自动优化金属纳米颗粒的合成条件（溶液组成、反应温度、反应时间等）。
图4 使用所开发的装置合成的银纳米颗粒的粒径分布（n=50） |
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图5 合成银纳米颗粒的透射电子显微镜图像
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我们正在努力将项目范围扩大到更广泛的应用，不仅包括金属纳米粒子的合成，还包括各种有机化合物和医疗材料的合成。由于该技术使用半导体微波源，预计未来尺寸会显着缩小。这使得它更容易融入到以金属纳米颗粒为原料的各种制造设备中，预计其使用量将会增加。通过使化学过程更加紧凑并将其转移到现场，我们可以按需生产所需的量，并通过节能来减少二氧化碳排放。2我们愿通过减少排放，为绿色化工的发展做出贡献。