触媒科学研究所の役割と責任
触媒科学研究所は2015年10月1日より新たにスタートしました。旧触媒研究所（1943年～1989年）、触媒科学研究センター（1989年～2015年）により培われた北海道大学の触媒研究の伝統を受け継ぎ、異分野を取り込んだ触媒科学を確立し、今後も触媒研究の国際的共同利用・共同研究拠点として活動を続けます。
よく、研究所になって何が変わったのかと聞かれます。実際には、触媒化学研究センターの時代に増員が認められ、大きくなっていましたから、規模的には変わりません。
しかし大きく違っている点は、研究所になること
で、自ら活動を決めるという点です。すなわち、自律するということです。
自律するということはその決定や行動に自ら責任を持つことになります。私たち触媒科学研
究所はこの点を強く認識し、責任ある行動をとらないといけないと思っています。
しかし、これは勝手に決めて良いと言うことではありません。外の皆さんのOpenでFairなご意見・批判を誠実に聞き、そのご意見・批判を
自らの決断材料にしていこうと思います。一方で、研究所員一人一人には、
自らの行動を正し、行動に対して説明責任を果たすことを自覚することが求められます。
特に北海道大学触媒科学研究所の構成員として、研
究不正、研究費不正、ハラスメント防止ということに対して、責任を持ち、自らを律していく必要があります。
このためには、研究所内外とのコミュニケーションを密にして、様々な問題を解決することが重要と信じています。
どうぞOpenでFairな議論をお願いします。
さて、研究所になってどういうサイエンスをやるのかということですが、１つは、触 媒 化 学 研 究センター時
代から掲げてきた持 続 可 能 社 会の実 現に必 要な触媒の開 発があります。そのために日々の最 先 端 研 究をますます活発にしていこうと思います。
もう一つの目標は、そうして得られた知 識をどう蓄 積し、
どう活 用するかといういわゆるCatalyst informaticsの確立です。すでに、触 媒 科 学 研 究 所は触 媒データベースを作り、公開しています。
このデータベースをさらに拡張し、AIを使って、知識を引き出することがCatalyst
informaticsへとつながると思います。
このCatalyst
informaticsを今開始することで、30年後には、研究を加 速し、新しい科 学の基 盤を開くことになると思っています。そのために、産総研、理研、NIMSそして高エネルギー加速器研究機構と連携し、このCatalyst
Informaticsを確立する取り組みを開始しました。
これに北海道大学、他大学や企業を取り込み大きなコンソ
シアムを作る活動を開始しています。一方で、情報セキュリティーという大きな問題もあります。多くの方々からのご協力と知恵を賜りたいと思っています。

Greetings“Institute and Center”
The new Institute for Catalysis (ICAT) is opened
on October 1st 2015. Catalysis is the traditionally
important and strongest field in Hokkaido University.
Juro Horiuti started Research Institute for Catalysis in
1943. It was remodeled to the Catalysis Research Center(CRC) in 1989 as a Joint Usage/Research Center. We
are succeeding the mission of the CRC and play a roleof the joint Usage/Research Center in the catalyst field.
What is the difference between Institute and Center?
A difference is the freedom and the responsibility.
Institute has greater freedom. It means we haveto decide by ourselves what is necessary for thedevelopment of our society related to catalysis scienceand technology. In this sense all members in ICAT haveto recognize our mission to carry out good science andto stop misconduct in research and harassment. We
have to behave ourselves honest and fair and take theaccountability of our actions. At the same time wehave to listen to any comments, criticisms and voices
addressed to us in open and fair manners. We will
decide based on these comments, criticisms and voices.
The important point is to promote the communications
with inside and outside. We welcome open and fairdiscussion and comments.
Next question may be what is the research target of
ICAT. Our research target is to develop new catalysts
necessary for the establishment of sustainable society.
Our missions are not only to perform frontier researchon catalysis but to encourage catalysis communities
in their research and to expand catalysis researchcollaboration with other fields such as physics, biology,
and environmental sciences.
We now initiate a new project to build up catalyst
informatics for the future. We have made andopen the catalysis database(http://133.50.165.193/
catdb/). Next challenge is to gather all data from theexperiments directly, store them as big data and analyze
them using AI(Artificial Intelligence) to derive theuseful information to obtain new catalysts. We arecollaborating with AIST, NIMS, RIEKN and KEK forthe catalyst informatics and are trying to make a catalyst
informatics consortium with people in academics andindustry.
The catalyst informatics will be anotherrunner of ICAT in the global collaborations to attaincatalyst-driven innovation. We need all your help andsuggestions.

従来通りの共同利用共同研究拠点活動と人類の存続に関わる持続可能社会の実現に加え、30年先の科学・技術を支え、イノベーションを実現するCatalyst
Informaticsを柱に研究を展開して参ります。
どうぞご支援と忌憚ないご意見のほどよろしくお願いします。
平成２８年４月

1

Kiyotaka Asakura
Director of Institute for Catalysis,
Hokkaido University
April 1st, 2016.

2

3

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触媒表面研 究 部 門

触媒表面研究部門

基礎研究系

Fundamental
Research

Catalyst Surface Research Division

http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~q16691/index.html

表面をみて、つくって、あやつって
Observe, Create and Manipulate Surfaces

朝倉清髙 教授（Kiyotaka ASAKUR A） 髙草木達 准教授（Satoru TAKAKUSAGI） 有賀寛子 助教（Hiroko ARIGA）
脇坂祐輝 特任助教（Yuuki WAKISAKA） 大澤雅俊 研究推進支援教授（Masatoshi OSAWA）

触媒作用を司る固体表面を原子レベルで見て、表面

Our missions are observing the catalytically activeの構造や電子状態を解析し、反応機構の解明を行う

solid surfaces on an atomic level to reveal the reaction

とともに、触媒として興味深い表面を作って、反応を

mechanisms, making the catalytically interesting surfaces

操るのが研究室のミッションです。

and manipulating the surface reactions (Fig. 1).

For

たとえば、燃料電池触 媒の研究に取り組み、動作

example, we have revealed the change of electronic state of

環境における表面構造の変化や電子状態の変化、高central atoms and its evolution after the photoabsorption

速電子移動の解明に取り組んでいます（図1）。また、

using pump-probe in situ XAFS in collaboration with IMS

分子科学研究所、高エネルギー加速器研究機構と共and KEK-PF (Fig. 2). We are challenging to develop new

同して、光吸収に伴い高速で変化する電子状態変化

surface analysis methods.

とその緩和過程を原子レベルで解明する取り組みもbased beam techniques to the characterization of the

行っています（図2）。こうした研究を支える顕微鏡法

surfaces such as positron, muon and free electron laser.

We applied the accelerator

や分光法の開発も行っています。特に新しい量子ビー
ムである陽電子、ミュオン、自由電子レーザを触媒に応用し新しい表面の知見を得ている。

Fig. 1 EXAFS can be obtained from the sample with lessthan 1015 cm2 Pt on Highly oriented pyrolytic graphite in thepresence of electrolyte.

5Fig. 2 WO3 is a Z-scheme photocatalyst for water splitting.
We collaborated with Prof. Bunsho Ohtani (ICAT), IMS
and KEK-PF to reveal the evolution of electronic state after
the photoabsorption process with a ps order time resolution
using Pump-Probe XAFS method.

触媒理論研 究 部 門

触媒理論研究部門

基礎研究系

Fundamental
Research

Catalysis Theory Research Division
http://www.cat.hokudai.ac.jp/hasegawa/

複雑分子系の理論化学計算手法による触媒原理の解明
Theoretical and Computational Approach to Catalytic Principles

長谷川淳也 教授（Jun-ya HASEGAWA） 中山哲 准教授（Akira NAKAYAMA） 中谷直輝 助教（Naoki NAKATANI）

本部門では、電子状態、分子構造、動力学など多元To overcome multiple complexities in catalysis, we

的な複雑性に由来する触媒原理を明らかにすることをare developing an accurate theory for complex electronic

目的として研究を行っている。複雑な構造を持つ分子

structures, QM/MM method for large molecular systems,

系を計算するためのQM/MM法、化学反応の動態を明らかにするAIMD法、熱的な分子構造揺らぎを考慮する統計力学的解析手法、複雑電子系の高精度計算が可能なDMRGなどの計算手法を開発するとともに、触媒反応への応用に取り組んでいる。

AIMD method for molecular simulations, and analyticalmethods based on quantum and statistical mechanics.
These methods are applied to the catalytic reactions oforganic catalysts, transition-metal reagents, heterogeneous
catalysts.
Our research activities in 2015 is as follows: 1. Mechanism

2015年度は、1.モデル炭素触媒系における糖の加of hydrolysis by model carbon catalysts, 2. Mechanism

水分解機構、2.メソポーラスシリカ担持Pt触媒のエチ

of ethylene oxidation with Pt/mesoporous SiO 2 catalyst,

レン低温酸化機構（図１）、3.固体酸化物と金属の界

3. Redox process at the metal/metal-oxide interface by

面における酸素原子の移動を介した酸化還元プロセ

the first-principles molecular dynamics simulations. 4.

ス（図２）、4.遷移金属錯体触媒を用いたアミドのヒド

Mechanism of the Pt catalyzed reduction of amide with

ロシラン還元反応のメカニズム、5.DMRGに基づく強相関系理論の開発に関する研究を行った。(1,2は福岡
研、3は産総研、4は九州大、5はプリンストン大との共bifunctional hydrosilane, 5. Development of density matrix
renormalization group for calculating strongly-correlated
systems.

同研究）

Fig. 1 Complete oxidation of ethylene on the Pt2/silica
surface model.

Fig. 2 Redox process at the metal/metal-oxide interface．
6表面分子科学 研 究 部 門

表面分子科学研究部門

基礎研究系

Fundamental
Research

Surface Molecular Science Research Division
http://www.cat.hokudai.ac.jp/ye

固液界面反応動力学の高速振動分光解析と反応制御
Real-time Vibrational Spectroscopic Monitoring and Control of Reaction
Dynamics at the Solid/Liquid Interface
朝倉 清高 教授（兼任）（Kiyotaka ASAKUR A） 叶深 准教授（Shen YE）

7

電極界面（固液界面）をはじめとする種々の界面のOur main interest lies in reactions that take place at

構造ならびにそこでの化学反応過程を分子レベルで解

solid/liquid, solid/gas, and solid/solid interfaces. Many

析し、応用することを目的に研究を展開している。研究

surface science approaches, such as sum frequency

手段として、和周波発生振動分光法や原子間力顕微鏡

generation (SFG) vibrational spectroscopy, atomic force

や電気化学的手法などを複合化して用いている。

microscope (AFM) and electrochemical techniques

主な研究テーマは、(1)金属空気二次電池やリチウム

have been combined to investigate the mechanisms andイオン二次電池の電極反応機構解明と新規触媒の開kinetics of the reactions on the surface and interfaces.

発;(2)機能性物質の界面構造制御による機能性物質のThe main research activities are (1) Elucidation of the開発などである。

reaction mechanisms on the electrode / electrolyte solution

当研究室の研究の特徴は、反応が進行している界面

interface in the Li-O2 secondary battery and development

をリアルタイムに追跡するところにある。種々の表面

of the novel electrocatalyst for the battery based on the

科学的アプローチを活用し、高感度で固液界面の分子

design of the surface structure; (2) Development of the

構造の解明を通じて、その反応機構の解明と新規機能

functional materials based on the control of the surface

性材料の解明を目指している。

structures.

物質変換研 究 部 門

物質変換研究部門

基礎研究系

Fundamental
Research

Catalytic Transformation Research Division
http://www.cat.hokudai.ac.jp/fukuoka/

再生可能エネルギー・環境保全のための固体触媒と反応の開発

Development of Heterogeneous Catalysts and Reactions for Renewable Energies and Environmental Protection
福岡

淳 教授（Atsushi FUKUOKA） 中島清隆 准教授（Kiyotaka NAKAJIMA） 小林広和 助教（Hirokazu KOBAYASHI）

本部門では、固体 触 媒を分 子レベルで設 計し、再Our strategy is molecular design of heterogeneous

生可能エネルギーの利用と環境保全のための反応に

catalysts and their application for utilization of renewable

応用する研究を行っている。再生可能エネルギーとしenergies and environmental protection. One of our topicsては非食料バイオマスをとりあげ、固体触媒により有is conversion of non-food biomass to valuable chemicals

用化学品に変換する研究を進めている。最近、木質バ

by heterogeneous catalysts. We have recently found that

イオマスを空気酸化して得られる弱酸点をもつ炭素

air oxidation of woody biomass provides a weakly acidic

触媒がバイオマス自身を加水分解し、グルコースとキcarbon that can hydrolyze the woody biomass to glucose

シロースを高収率で生成することを見出した(図1)。

and xylose (Fig. 1). The solid residue containing the

反応後に残る触媒とリグニンの固体残渣は同じ空気

carbon catalyst and lignin after reaction is converted back

酸化処理により、活性な触媒に戻すことができる。まto a fresh catalyst by the same air oxidation. We also study

た、海洋バイオマスであるキチンの分解についても検

depolymerization of chitin.

討している。

Our interest also includes catalytic application of

さらに、本部門ではメソポーラスシリカなどのメソ

mesoporous materials. We reported high activity of

多孔体の触媒機能について研究している。メソポーラ

Pt/mesoporous silica in low temperature oxidation of

スシリカ担持白金触媒は、エチレンを低温で完全酸化

ethylene to CO2 (Fig. 2). This catalyst is practically used

しCO 2に変換できる。この触媒はエチレンによる野菜in the latest models of refrigerators to inhibit aging ofや果物の熟成を抑制することから、冷蔵庫用の触媒

vegetables and fruits. We are studying the structure-

として実用化された。現在、触媒の構造‐活性相関のactivity relationship in this reaction.

解明に取り組んでいる（図2）。

Fig. 1 Self-contained system for hydrolysis of woody
biomass.

Fig. 2 Proposed mechanism for low-temperature oxidationof ethylene over Pt/mesoporous silica.
8触媒材料研 究 部 門

触媒材料研究部門

基礎研究系

Fundamental
Research

Catalyst Material Research Division
http://www.cat.hokudai.ac.jp/shimizu/

理想的な化学品合成・自動車排ガス浄化を目指した多機能性触媒の設計
Design of Multifunctional Catalysis for Ideal Synthesis and Automotive Pollution Control
清水研一 教授（Kenichi SHIMIZU） 鳥屋尾隆 助教（Takashi TOYAO）

9

稀少金属資源の使用量を最小限に抑えたグリーン有

Our aim is to design new heterogeneous catalysts for

機合成、環境浄化用固体触媒の開発に取り組んでいgreen organic reactions and automotive pollution control

る。種々のin situ分光法を駆使した触媒構造・反応機

with minimum use of precious metal resources. Mechanistic

構研究を通じて触媒構造－機能－性能の相関関係を

and structural studies by various in situ spectroscopic

明確化し、触媒設計にフィードバックする。これまでのmethods establish the structure-activity relationship,

研究から、機能の異なる複数の金属・酸化物種を近接

which provides fundamental aspects for catalyst design.

させた界面の設計が高機能触媒開発の鍵となることをWe have found that creation of multifunctional active sites

明らかにしており、本設計指針に基づき革新的機能を

at metal-support interfaces is a key factor for design of有する新規固体触媒を創出する。これらを通して、現novel catalysts. We try to contribute to improvement in

在の世界的な課題である環境問題やエネルギー問題

global energy and environmental situation by developing

解決への貢献を目指す。

heterogeneous catalysts with innovative functions.

光触媒科学研 究 部 門

光触媒科学研究部門

基礎研究系

Fundamental
Research

Photocatalysis Research Division

http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~k15391/

光触媒微粒子の設計 / 調製 / 評価と作用原理の解明

Design, Fabrication and Characterization of Photocatalyst Particles and Clarification of Mechanisms
大谷文章 教授（Bunsho OHTANI） コワルスカ エバ 准教授（Ewa KOWALSKA） 髙島舞 助教（Mai TAKASHIMA）

光触媒としてはたらく微粒子の設計と調製、評価を

We are aiming to design, fabricate and characterize

おこなうとともに、光触媒反応の原理の解明をめざし

photocatalyst particles and to clarify the mechanism of theirている．具体的には、（1）光触媒活性に影響をおよぼphotocatalysis. double-beam photoacoustic spectroscopy

す電子トラップ密度のエネルギー分布をあらたに開発(RDB-PAS) for evaluation of energy-resolved density of

した二重励起光音響分光法により測定し、これを光触electron traps in photocatalyst particles to be compared

媒活性と比較することによって高活性光触媒の設計指with their photocatalytic activity; (2) examination of light-

針をえた．
（2）超高強度の単色光連続光源をつかってintensity dependence of photocatalytic reactions using an

光触媒反応速度におよぼす光強度の影響を解析し、1

ultrahigh-intensity continuous monochromatic light source

つの粒子中の励起電子あるいは正孔の密度に依存して

to find electron-transfer mechanism depending on the

反応様式が異なることをあきらかにした．
（3）精密制

density of electrons or holes in a particle; (3) preparation

御気相法チタニア合成装置をもちいて世界最高性能のof highly active titanium(IV) oxide (titania) photocatalyst

十面体形状アナタースチタニア光触媒を調製し（図1）

particles (Fig. 1) using a newly developed gas-phase reactor;

特性評価を行った．
（4）ミクロな結晶構造およびマク(4) development of metal oxide particles with micro-

ロな集合構造が規制されたフレークボール形状タング

macro hierarchical structure (Fig. 2) through hydrothermal

ステン酸ビスマス微粒子（図2）を水熱反応によって調reaction, and clarification of the mechanism of those particle

製し、その生成機構と光触媒反応中の電子移動反応機

formation and photocatalysis on them.

構を解明した．

Fig. 1

Fig. 210分子触媒研 究 部 門

分子触媒研究部門

基礎研究系

Fundamental
Research

Molecular Catalyst Research Division
http://www.cat.hokudai.ac.jp/takahashi/

有機金属化学を駆使して、新たな炭素骨格構築反応の開発を目指す！
Toward Novel Carbon-Carbon Bond Formation by Organometallic Chemistry

高橋保 教授（Tamotsu TAKAHASHI） 宋志毅 助教（Zhiyi SONG） 笠原二郎 研究推進支援教授（Jiro KASAHAR A）

当研究室では従来，炭素骨格の組み替えを活用した

Cleavage/formation of carbon-carbon bonds in organic

高効率構築法の開発を目指し、前周期遷移金属上で炭

molecules have been a major challenge in synthetic organic

素―炭素結合切断と炭素―炭素生成反応を組みあわ

chemistry. By utilizing transition–metal reagents orせることによって、古典的な有機化学においては困難とされてきた様々な炭素骨格変換反応を見出している。
シクロペンタジエニル基は遷移金属錯体において，通常は強く金属に結合した安定な配位子とされているが，近年我々のグループでは，チタン上でCp配位子がwith unique modes of C-C bonds cleavage/formation.
Cyclopentadienyl (Cp) ligand has longtime been
believed ‘inert’ on transition metals. However, in recent
several years, our group has found that the Cp ligand on
titanocene complexes was abnormally activated. Cp ligand

驚くべき反応性を示すことを見出している。シクロペン

of bis(cyclopentadienyl)titanacyclopentadiene complexes 1

タジエニル基を有するチタンニウム錯体１において、錯

was coupled with the dienyl moiety to give dihydroindenyl

体上のCp配位子とブタジエン部位のカップリング反応

titanium complexes 2. This dihydroindene moiety wasが進行したのち、様々なジヒドロインデンチタン錯体

then rearranged to give complexes 3. Upon treating withが生成することを見出している。これらの反応は、Cp

additives, these titanium complexes were then converted to

配位子を新たな炭素骨格構築のための炭素ユニットとvia a variety of organic compounds through a combination

して提供することに加え、炭素―炭素結合切断と生成により、炭素骨格を組み替えることができる。
ベンゼン環が直線状に縮環した構造を有する「アセン」を出発物として、アセンの末端で二量化を行った

11

catalysts, our research group has developed such reactionsof C-C bond formation and cleavage.
Meanwhile, our group has developed a series of methods
for the synthesis of substituted acenes. We are now trying
to create novel method to get 2D acenes from acenes. In
our method, dimerization of acenes at the first ring was

後、順次炭素-炭素結合を形成することにより、完璧な

realized successfully by Mn catalysts after introduction of

立体選択性で種々の二次元アセンを構築するという合OH group. Then, the remaining C-C bonds were combined成手法を開発している。

one by one.

Scheme 1. Carbon-carbon bond formation and cleavage of
Cp ligand on titanium

Scheme 2. Controllable synthesis of 2D acenes from acenes
via carbon-carbon bond formations from one side to theother.

高分子機能科学 研 究 部 門

高分子機能科学研究部門

基礎研究系

Fundamental
Research

Macromolecular Science Research Division
http://polymer.cat.hokudai.ac.jp/

高分子・超分子の精密構造制御による機能性材料の開発
Control of Polymer and Supramolecular Structures Leading to Advanced Materials
中野

環 教授（Tamaki NAKANO）

当部門では先端材料としての応用を目指して構造制

Our research focuses on the synthesis of polymers and

御された高分子および超分子を合成している。重合反

supramolecules having controlled structures including

応の設計により、らせん、π-スタック型、ハイパーブラ

helix, π-stacked conformation, and hyperbranched morph

ンチ型などの分子構造および高次構造の制御を実現

and ordered liquid crystalline phases aiming at creating

し、加えて、液晶等の分子間構造制御法も開発していadvanced materials showing catalytic activities, photoる。制御構造を有する高分子・超分子を用い、触媒、

emission, conduction, energy transfer, non-linear optical

発光、導電性、エネルギー移動、光学非線形特性、分properties, separation functions, and pharmaceutical

離、薬理活性等の高度な機能の発現に挑戦している。

activities.

当研究室ではπスタック型構造をビニルポリマーに

We have succeeded in synthesis and structural elucidat

対して制御することに初めて成功した（図１）。πスタッ

ion of π-stacked vinyl polymer, poly(dibenzofulvene), for

ク型ポリマーは特異な立体構造に基づいて、興味深い

the first time (Fig. 1). Based on the π-stacked structure,

光・電子物性を示す。光電子物性は主鎖共役系高分子

this polymer shows valuable photo electronic propertiesに特異的なものと考えられていたが、ビニルポリマー

that have been thought to be unique to main-chain conjugaの構造制御により優れた材料が開発できることを明ら

ted polymers. Another goal is to create a polymer helix usかにした。また、円偏光を用いたらせん高分子の合成

ing light: we have for the first time prepared a preferred-に成功し、さらに、光でらせんの向きをスイッチングすhanded helix on the basis of chirality of light (circularly po

るらせん高分子系の開発も行っている（図2）。

larized light) and further extended this work to a helicalsense switching driven/triggered by light (Fig. 2).

Fig. 1. Structure of poly(dibenzofulvene), the first
π-stacked vinyl polymer.

Fig. 2. Chirality switching of helical polymer driven/
triggered by circularly polarized light (CPL).
12研究開発部 門

研究開発部門

実用化推進系
Practical
Applications

Research and Development Division
http://www.cat.hokudai.ac.jp/technological.html

産学官連携強化Reinforcing the collaboration of government, industry and academia
西田まゆみ 教授（Mayumi NISHIDA） 安田友洋 准教授（Tomohiro YASUDA）

北海道大学触媒科学研究所・実用化推進系研究開

The Research and Development Division was started at

発部門は、産学連携強化をより進めることを目的とす

the Institute for Catalysis (ICAT), Hokkaido University inる文部科学省の要請に応えて2014年4月からその活2014 at the request of the Ministry of Education, Culture,動を開始しました。2015年4月には、北海道大学と国Sports, Science and Technology (MEXT) to establish a

立研究法人産業技術総合研究所との間にクロスアポイ

close relationship between academia and industry. In April

ントメント制度が導入されたことを受けて、研究開発部

2015, Hokkaido University, and the National Institute of門のメンバーによる北大クロスアポイントメントチーム
が産総研・触媒化学融合研究センター内に発足し、産学官の橋渡しの役目を担うことになりました。その一環として、2015年度に、北海道大学触媒科学研究所、理化学研究所・環境資源科学研究センター及び計算科
学研究機構、産総研・触媒化学融合研究センター及び人工知能研究センターの連携協力を仰ぎ、「キャタリスAdvanced Industrial Science and Technology (AIST),
executed the contract to realize the cross-appointment
system for the sake of reinforcing the collaboration of
government, industry and academia. Then the crossappointment team being constituted of the Research andDevelopment Division was newly set up in AIST. Utilizing
the government-industry-academia network, the newprogram, "Catalyst Informatics", was launched by the

トインフォマティクスによる触媒開発」のプロジェクト

cooperation among the Center for Sustainable Resources

を始動させました。

Science and the Advanced Institute for Computational
Science, Riken, the Interdisciplinary Research Centerfor Catalytic Chemistry and the Artificial Intelligence
Research Center, AIST.

13

触媒ターゲット研究アセンブリ Target Oriented Research Assembly
触媒研究基盤開発クラスター

拠点型

CentralResearch
SectionResearch Cluster for Sustainable Catalyst

http://www.cat.hokudai.ac.jp/sustainable.html

触媒科学における研究拠点機能の先験的整備
Developing Fundamental Resources for Catalysis Research
Cluster Leader: 長谷川淳也（Jun-ya HASEGAWA）
Member: 朝倉 清髙（Kiyotaka ASAKURA, ICAT, Hokkaido Univ.）

清水研一（Kenichi SHIMIZU, ICAT, Hokkaido Univ.）

高橋保（Tamotsu TAKAHASHI, ICAT, Hokkaido Univ.）
西田まゆみ （Mayumi NISHIDA, ICAT, Hokkaido Univ.）

福岡

淳（Atsushi FUKUOKA, ICAT, Hokkaido Univ.）

中野

環（Tamaki NAKANO, ICAT, Hokkaido Univ.）

大谷文章（Bunsho OHTANI, ICAT, Hokkaido Univ.）

This cluster is aiming at promoting advanced catalysis

共通基盤を先験的に整 備すること、研究者コミュニ

research. Our projects are to develop and maintain both

ティーとの研究協力体制を提案・構築すること、触媒

hard and soft infrastructures in the institute, to promote

科学における新学際領域を戦略的に開拓することをand enhance the collaborations and cooperation in the

目的とした事業を行う。

community of catalysis science and engineering, and to(1)サステナブル触媒事業

ターゲット研究部

触媒科学技術の先端研究を推進・支援するためのdevelop the forefront of the interdisciplinary area related

持続可能な社会に向けた技術革新を可能とす
る触媒科学技術の研究を推進・支援する。
(2)触媒高度実践研修プログラム事業
統合的触媒研究体制のもと、研究者の人材育
成、触媒開発支援をする。
(3)触媒データベース事業

to catalysis. (1) Sustainable catalysis research project is topromote and support advanced catalysis researches as wellas to introduce transcendental approaches in catalysis. (2)Training and education program is to contribute in developing human resources and in outreach activities to the society. (3) Database project is to accumulate experimental

触媒データベースの構築を継続し、複雑に進化する触媒科学技術を体系化すると共に、新学

and XAFS information of catalytic systems and to develop
catalysis informatics.

際領域としてキャタリスト・インフォマティクスの発展を企図する。

Figure 1. Top page of the web site of the catalyst database14

■ ターゲット研究部

規整表面ナノ構造研究クラスター
Research Cluster of Well-defined Surface Nanostructures
http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~q16691/index.html

展開型

Extensive
Research
Section

反応制御のための規整表面ナノ構造をつくる，みる

Create and Observe Well-defined Surface Nanostructures for Precise Reaction Control
Cluster Leader: 髙草木達（Satoru TAKAKUSAGI）
Member: 清水研一（Ken-ichi SHIMIZU, ICAT, Hokkaido Univ.）

佃達哉（Tatsuya TSUKUDA, The Univ. of Tokyo）

原賢二（Kenji HAR A, Tokyo Univ. of Technology）
増田卓也（Takuya MASUDA, NIMS）

近藤敏啓（Toshihiro KONDO, Ochanomizu Univ.）

八木一三（Ichizo YAGI, Hokkaido Univ.）

角山寛規（Hironori TSUNOYAMA, Keio Univ.）

魚崎浩平（Kohei UOSAKI, NIMS）

田旺帝（Wan-Jae CHUN, International Christian Univ.）

構造の規定された酸化物単結晶表面を機能性分子

The objective of our research group is to create well-

や金属で様々に修飾することで、well-definedな表

defined active surface structures by modifying oxide

面反応場を構築する。走査型トンネル顕微鏡（STM）

ターゲット研究部や偏光 全反射蛍光X AFS法を用いて原子・分子レベ
ルでの幾何・電子構造評価を行うとともに、実際に触媒活性を測定することで活性発現の起源を明らかにし、活性サイトの合理的設計のための指針を得る。
例えば酸化物上の金属ナノ粒子は担持金属触媒をはじめ、センサー、電子デバイスなど様々な材料に応用されているが、凝集が起こりやすく、微少クラスター

single crystal surfaces with various functional moleculesand metals. They are characterized at an atomic level byusing advanced surface science techniques such as STM
and PTRF-XAFS to elucidate the origin of the catalytic
activity.
We are now focusing on metal nanoclusters on oxidesurfaces because they are technologically importanta s ox ide -suppor ted met al cat alyst s, sensor s, a ndelectronic devices. It is not easy to prepare homogeneous
subnanometer-sized clusters on oxides because they are（サイズが1 nm以下）を均一に十分な量担持するこ

easily aggregated to form large clusters although they areとが難しい。しかし酸化物表面を、あらかじめ金属とexpected as the next generation catalysts or devices. We

強く相互作用する官能基を有する機能性分子で修飾

succeeded in preparing an atomically dispersed metal

することで、図１のように金属を単原子状に分散できる。機能性分子の被覆率と金属の導入量を変化させることで、サイズを制御した微小クラスターの調製が可能になると期待できる。

species by premodifying an oxide surface with functional
molecules before metal deposition (Fig. 1), which may
enable precise size control of subnanometer-sized clusters
by controlling densities of the functional molecule and thedeposited metal.

Figure 1. Atomically dispersed
Au on TiO2(110) premodified witho-MBA (mercaptobenzoic acid)molecules.
15

Department of Target Research

バイオインターフェース研究クラスター
Research Cluster of Bio-Interface
http://www.cat.hokudai.ac.jp/ye

展開型

Extensive
Research
Section

生体界面の分子構造を高感度で追跡する
Exploring the Bio-Interface in a Molecular Sensitivity
Cluster Leader: 叶深（Shen YE）
Member: 村越敬（Kei MUR AKOSHI, Hokkaido Univ.）

葉金花（Jinhua YE, National Institute for Materials Science）

今堀博（Hiroshi IMAHORI, Kyoto Univ.）

田中賢（Masaru TANAKA, Kyushu Univ.）

Molecular structure at surface of a functional material

面の原子・分 子の配列構造に支配されている。我々

plays important roles in its functionality and catalytic

は，和周波発生(SFG)振動分光法や原子間力顕微鏡

activity. Our research interest is focused on elucidation of（AFM)などの表面科学的手法を用い，生体膜をはじ

relationship between the functionality and the molecular

めとする生体機能性材料の界面分子構造の解明を通

structures on the surface or interfaces of bio-membranes

じて，その機能性発現の機構解明を分子レベルで実and functional materials at molecular level using sum fre-

現する。酵素やオゾンなどの様々な分子との反応に

quency generation (SFG) spectroscopy and atomic force

伴う界面構造の高感度な追跡により，バイオインター

microscope (AFM). For example, the enzyme reaction on

フェースにおける反応の機構解明と生体機能性材料

the lipid bilayer and the surface structure on the biopoly-の開発にも寄与する。さらに，金属空気電池などの二mers on the bio-interfaces have been studied under in situ

次蓄電池の電極溶液界面構造のその場研究にも取りconditions. We are also investigating the electrode and組み，表面科学的視点から電極反応機構や反応速度

solution interface in the Li-O2 secondary battery in order論の解明を通じて機能性電極触媒材料の開発や高性

to improve its stability and cycling ability by the surface

能二次蓄電池の実用化に貢献する。

structure control.

ターゲット研究部

物 質の触 媒 活 性や機 能 性はその 物 質の 表 面や界Figure 1. Scheme for SFG and AFM Measurements on the Bio-interface.
16

■ ターゲット研究部

プラズモン光触媒研究クラスター

展開型

Extensive
Research
SectionResearch Cluster for Plasmonic Photocatalysis
http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~k15391/

環境浄化用プラズモン励起型光触媒の開発

Development of Plasmonic Photocatalysts for Environmental Applications
Cluster Leader: コワルスカ エバ（Ewa KOWALSKA）
Member: 髙草木達（Satoru TAKAKUSAGI, ICAT, Hokkaido Univ.）

Agata MARKOWSKA-SZCZUPAK

Hynd REMITA

Christophe COLBEAU- JUSTIN

Wojciech MACYK

Saulius JUODKAZIS

Adriana ZALESKA-MEDYNSKA

Sven R AU (Ulm Univ., Germany)

Marcin JANCZAREK（West Pomeranian Univ. of Technology, Poland）(Paris-sud Univ., France)(Swinburne Univ., Australia)

本研究クラスターでは，太陽光にふくまれる可視光の波長領域において表面プラズモン共鳴吸収をもつ

ターゲット研究部

光機能性ナノ粒子，すなわち，金，銀あるいは銅などの金属あるいは合 金と広いバンドギャップをもつ半導体からなる光触媒の開発をめざしている。これらの光触媒を用いる紫外あるいは可視光照射下での汚染
物質分解の反応機構およびLSPR吸収により生じる電場による光触媒活性向上の効果を検討し，主要な反
応条件および光触媒活性と物理化学的特性の相関を明らかにする。さらにこのプラズモン光触媒に均一系
光触媒である金属錯体を修飾することにより，さらな
る光触 媒活性の向上と光吸収，キャリア移動および酸化還元反応の機構を解明する。

Fig. 1. Images of bacteria and fungi: healthy (top) andaffected (bottom) by irradiated plasmonic photocatalysts.
17

阿部竜（Ryu Abe, Kyoto Univ.）（Paris-sud Univ., France）(Jagiellonian Univ., Poland)(Gdansk Univ., Poland)(Gdansk Univ. of Technology, Poland)

Our research focuses on development of plasmonic
photocatalysis with ability of workingat visible range ofsolar spectrum, i.e. mono and bimetallic photocatalysts
composed of gold, silver, copper, platinum and wide-bandsemiconductor. The influence of structural properties on
the photocatalytic activity and the mechanism of chemical
and microbiological (bacteria and fungi) pollutantsdegradation is investigated.
The mechanism of photocatalytic action under visible
light irradiation will be studied by a few methods, e.g.,
photoacoustic spectroscopy (PAS), reversed double beam
photoacoustic spectroscopy (RDB-PAS), time-resolved
microwave conductivity (TRMC), electron paramagnetic
resonance (EPR) spectroscopy, fluorescence spectroscopy,
quasi-Fermi level determination, action spectrum analysis.
The influence of titania facets (101 and 001) on propertiesof metal deposits, and thus on resultant photo- andantimicrobial properties will be also examined.

Fig. 2. Scheme of photodegradation of chemical andmicrobiological pollutants on titania (exposed with (101)facets) modified with NPs of gold and silver.

Department of Target Research

界面シミュレーション研究クラスター
Research Cluster for Computer Simulation of Interfaces
http://www.cat.hokudai.ac.jp/hasegawa/

展開型

Extensive
Research
Section

量子シミュレーション手法の開発と界面プロセスの理論的解析

Development of the Methodology of Quantum Simulations and its Application to Chemical Processes
at Interfaces
Cluster Leader: 中山哲（Akira NAKAYAMA）
Member: 清水研一（Ken-ichi SHIMIZU, ICAT, Hokkaido Univ.）

武次徹也（Tetsuya TAKETSUGU, Hokkaido Univ.）

高草木達（Satoru TAKAKUSAGI, ICAT, Hokkaido Univ.）
中村恒夫（Hisao NAKAMUR A, AIST）

Nisanth N. NAIR (Indian Institute of Technology Kanpur, India)

本研究クラスターでは、固体表面および固／液・固／Our research focuses on the understanding and theoretical

固界面における触媒反応プロセスのメカニズム解明とmodeling of interfaces (solid/liquid, solid/solid interfaces) with

理論的設計法の確立を目指し、第一原理分子動力学

the help of computer simulations such as the first-principles

法やQM/MM法などの量子シミュレーション手法をも

molecular dynamics simulations and QM/MM methods.
In particular, we focus on the following topics.

以下の項目に重点を置く。

(a) Ab initio thermodynamics and solvent effects on the(a) 不均一系触媒反応における熱揺らぎと溶媒効果の検討
不均一系触媒における熱力学的な効果に着目した
触媒機能解析を行う。自由エネルギー曲面に基づく解析を重点的に行い、エントロピーや溶媒の効果をターゲット研究部とに方法論の開発と応用研究を推進する。具体的には

catalytic process.
(b) Theoretical modeling of the electron transport and redox
process at the metal-oxide/metal interfaces.
(c) Development of the QM/MM method for periodic
systems and its application to heterogeneous catalysis.

検討する。
(b) 酸化物半導体の電極界面における酸化還元過程に関する理論的研究
酸化物と金属の電極界面の構造と酸素イオンの移動を介した酸化還元過程の理論的モデリングを行い、界面構造と電子伝導の相関を第一原理計算により明らかにする。
(c) 周期境界QM/MM計算手法の開発
大規模系への適用に向けて、第一原理計算の計算コストを大幅に下げるために、周期境界QM/MM法の開発を行う。特に固体酸化物をMM領域として、周期境界DFT法との接合に重点を置いた手法開発を行う。

Fig. 1 Redox process at the metal/metal-oxide interface

Fig. 2. First-principles simulations of solid/
liquid interface18

■ ターゲット研究部

酸塩基触媒研究クラスター

展開型

Extensive
Research
SectionResearch Cluster for Acid-Base Catalysis
http://www.cat.hokudai.ac.jp/fukuoka/

高性能の固体酸塩基触媒を開発し，植物由来炭水化物から必須化学品の原料を得る

Development of novel solid acid-base catalysts for the conversion of abundant carbohydrates innature to platform molecules for bulk chemical production
Cluster Leader: 中島清隆（Kiyotaka NAKAJIMA）
Member: 長谷川淳也（Jun-ya HASEGAWA, ICAT, Hokkaido University）

神谷裕一（Yuichi KAMIYA, Hokkaido University）

一國伸之（Nobuyuki ICHIKUNI, Chiba University）

横井俊之 （Toshiyuki YOKOI, Tokyo Institute of Technology）

Barbara ONIDA（The Politecnico di Torino, Italy）（Eindhoven University of Technology, The Netherlands）

本倉健（Ken MOTOKUR A, Tokyo Institute of Technology） Emiel J.M. HENSEN

近年、化石資源に依存しない資源循環型社会の構

Chemical production f rom renewable and easily

築が求められており、反応性の高い植物由来炭水化

accessible carbohydrates in nature is increasingly important

ターゲット研究部

物を原料とした必須化学品原料の合成が重要な課題となっている。本研究クラスターでは、固体酸化物の水存在下における酸塩基触媒作用、特にこれまで検討されていなかった電子欠損金属サイトと電子過多な格子酸素の酸塩基性質を解明し、環境低負荷を志向した水溶液内でのバルクケミカル原料合成に取り

in recent years for the development of sustainable society.
Plant-derived carbohydrates, which show higher reactivity
than fossil fuel-derived hydrocarbons, can be converted
to attractive platform molecules (furans, organic acids,
ketones, aldehydes, olefin, etc.) by acid-base catalysis
in the presence of water. In this project, acid and basefunctionality of electron-deficient metal species and組む。主な検討内容は、多様な植物由来の炭水化物

electron-rich lattice oxygen sites, respectively, on metalを中心とする化合物群（糖類、高級脂肪酸およびそのoxides has been studied for the carbohydrates conversion

エステルなど）からカルボン酸､ケトン、アルデヒド、オ
レフィン類などを高収率で獲得する反応系の構築である。特に塩基サイトによる正・逆縮合反応の制御が可能となれば、C2～C4を中心とした低 分 子量 炭化水素からC12を大幅に上回る高分子量炭化水素合成の道筋が確立できる。

in the presence of water. Precise control of basicity foroxide catalysts would enable selective production ofvarious small (C2-C4) and large (> C12) hydrocarbons
though fragmentation and condensation reactions. The
resulting molecules can be used as sustainable resources
for the production of a variety of industrially importantchemicals.

Conceptual illustration of acidbase pair on metal oxide surface
available for carbohydrates
conversion in water19

研 究 支 援 技 術 部 T ec hni c a l Di v i si on
多様化する研究の技術支援

Technical Support in Response to Various Special Needs of Scientists
http://www.cat.hokudai.ac.jp/technical/

研究支援技術部では、研究者からの規格外の特殊

The Technical Division is composed of Research Equipment

な要望に迅速に対応し、ガラス・金属製の実験器具・

Development Teams No. 1 and No. 2 and the Research Equipment装置の開発・製作・改良、本研究所機器・設備・ネット

Management Team.

ワーク管理などの多岐にわたる技術補助を行い、本Research Equipment Development Team No. 1 manufactures

研究所の高度な研究を支えている。また、講習会を開

glassware commonly used in chemical experiments as well as

催し、研究者と技術部との連携を高めるとともに、実special glassware that is not commercially available, such as

習を通して安全な研究を支援している。センターから

vacuum pumps and special spectrochemical cells.

研究所へ、触媒化学から触媒科学へ変わり、より多様

Research Equipment Development Team No. 2 is in charge of化する研究を技術的面から支援している。

metal processing, welding, and the construction of equipment such

第一研究機器開発班：数百種類以上の装置・器具

as ultra-high vacuum systems.

の開発・製作経験を活かした精度・実用度の高いガラ

The Research Equipment Management Team is responsible for

ス加工を行っています。

maintaining common-use equipment, such as SEM, TEM, XPS,

第二研究機器開発班：金属・樹脂・セラミックスのand NMR.

加工を行っており、主に真空部品・光学部品・電気化

Our mission is to contribute to research at ICAT through学セル等を製作しています。汎用の工作機械を用いた

technical support. We aim to make user-friendly, highly efficient

加工から、自動プログラムを用いたNC加工までさま

equipment as requested, through active discussion and consultation

ざまな機械工作を行っています。

with the researchers from the early stages of development.

研究機器管理班：本研究所の走査型電子顕微鏡，
透 過電子顕微 鏡，X線光電子分 光 装置，吸着測定装

Although we have many years of experience in glassblowing andmetal processing, we make every effort to acquire new skills.

置，核磁気共鳴装置などの機器管理、ネットワーク管理を行っています。

研究支援技術部

第一研究機器開発班製作物

第二研究機器開発班作業風景
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