新たな時代の触媒科学研究所の役割と触媒知の構築に向けて

Institute for Catalysis, its mission and spirit of Joint Usage/Research Center.
2017年度概要発行にあたり一言ご挨拶差し上げます。

触媒に関する研究所やセンターは世界各地にあり、それぞれが触媒の最先端研究あるいは重要課
題研究を行っています。触媒に関する最先端・重要

課題研究を行い、その成果を世界に発信し、社会に寄与することは本研究所の大切なミッションです。

しかし、それによって自分たちだけがナンバー１になりさえすれば良いというわけではありません。本研究所は、もう１つの大きな、そして困難なミッションを負っています。それは共同利用・共同研究拠点というミッションです。前者が自分たちを如何に優れたものにするかという内向きのものであるとすると、後者は他者とよく議論し、コミュニティーをまとめ、触媒科学を推進し、人類の幸福や地球の繁栄につなげるという外向きのものであります。

共 同 利 用・共 同 研 究 の 精 神は、互 いを壁で隔て何らかの理由で協力や援助を拒んだりするものであってはならないと思います。また、一組織の利益のためだけに奉仕することも間違いであると思います。むしろ、共通の興味や目標を持つすべての人や組織に対して開かれ、それぞれの異なる考えや古い考えも取り込み、互いの真剣な議論により、それらを止揚し、新たな原理を作りだし、共通の目的のために協働することであります。それはある意味面
倒で、時間がかかることであります。

世界は多様化し、資源・エネルギーは枯渇し、環境は悪化しています。段々パイは小さくなっています。そ の 少なくなったパイを自分 達 の 利 益だけを考えて競争を激化するだけでは、日本も世界も持たないのは明らかです。実現には大きな困難が伴いますが、多様性を認めつつ、多面的視点から新たな考えや価値観、そして大きなパイを創造し、win-

winの関係で人類の幸福や地球の未来を考えることこそが共同利用・共同研究の理想と信じます。

触媒科学研究所はこの共同利用・共同研究の精神に基づいて、異分野融合、国際化、組織間連携を進めようと思っております。そ の 出 口として、人 材を育成し、新たな触媒分野や産業を創造することに加え、人類の共有財産としての「触媒知」を作り、これを利用して触媒開発を加速し、持続可能な未来社会を目指すことを考えています。このために触媒

データベースを作製し、そこから有用な知識を得る
Catalyst Informatics事業を行っています。

この概要を通じ、その一端を皆様に紹介するとともに、皆様からの暖かく、率直で厳しいご指導・ご鞭撻を賜れば幸いと存じます。

平成29年4月1日

北海道大学 触媒科学研究所長

朝倉清髙

1

Dear Sir / Madam,
We have now published the Brochure of Institutefor Catalyst 2017. On this occasion, I would like tointroduce ICAT and its mission. Catalysis is one of
the key technologies for a long-term sustainable
society, which does not only depend on fossil fuels
but utilizes energy and feedstock derived from avariety of renewable resources. Our mission is
to create such a sustainable society through theunderstanding of catalysis and the developmentof new catalysts. To achieve this goal, we have toperform outstanding research in the catalysis field.
But is such cutting-edge research the only task wehave to perform?
We have another mission of Joint Usage/
Research Center for catalysis and related
research fields. This mission requires us to workfor catalysis community. However, we are not a
service institute to support the community nor acommercial operation to earn money. The spirit of
Joint Usage/Research is to create a new kind of
science and technologies through collaboration ofresearchers both within and outside of the catalysis
community through mutual discussions and deeper
understanding of each other ’s research. Our
goal is to create breakthrough research throughinterdisciplinary collaboration. We also collaborate
with the community to support younger generationsof scientists. We do not guard the boundaries ofour small community to separate researchers fromeach other, but attempt to unify all who pursue thesame purpose.
ICAT members pursue three strategies – fusionof different research areas, global collaborations,and links with different research institutions.
Recently, we have started to work in the field of
catalyst informatics. This approach collects welllinked data about catalysts and analyzes such data
to create new knowledge or new guiding principles
by artificial intelligence (AI) controlled by curators.
We believe that catalyst informatics will open
new scientific pathways to a “Future Sustainable
Society”.
Finally, as Joint Usage/Research Center, we at
ICAT are grateful for any proposals, comments,and suggestions for collaboration. Please do nothesitate to contact us if you want to collaborate
with us to create a future society through catalysis
research.
Thank you for your kind attention.
April 1st, 2017
Kiyotaka Asakura
Director of Institute for Catalysis,
Hokkaido University

2

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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.cat.hokudai.ac.jp/asakura/

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 developing unique surface analysesの構造や電子状態を解析し、反応機構の解明を行う

observing the catalytically active solid surfaces on anとともに、触媒として興味深い表面を作って、反応を

atomic level to reveal the reaction mechanisms, making

操るのが研究室のミッションです。

the catalytically interesting surfaces and manipulating the

たとえば、燃料電池触 媒の研究に取り組み、動作

surface reactions. For example, we are now developing

環境における表面構造の変化や電子状態の変化、高a new methodology sensitive to the local structure of the

速電子移動の解明に取り組んでいます。また、特定のspecific bond called as MARX-RAMAN. Fig. 2 shows

結合のみに着目して、XAFSを得るMARX-RAMAN

TiO2(110) reconstructed surfaces determined by Highの検 証に 取り組 んでいます（図1）。一方、高エネル

Energy Positron Diffraction. We applied the accelerator

ギー加速器研究機構と共同して、陽電子回折によるbased beam techniques to the characterization of theTiO 2 (110)再 構 成 表面の構 造 解 析も行っていますsurfaces such as positron, muon and free electron laser.

（図2）。こうした研究を支える顕微鏡法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ます。

Fig. 1 The spectra at the edge position with incident
X-ray energy 9881.5 eV. We found a very small MARX
Raman signal at 408 eV loss.
5

Fig.2 The spectra of TiO2 reconstructed surface (dot)and simulated spectrum for various structure models(line). We collaborated with Prof. Toshio Hyodo (KEKPF) and reveal the surface structure, which havebeen discussed for 30 years.

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）

本部門では、電子状態、分子構造、動力学など多元To understand multiple complexities in catalytic

的な複雑性に由来する触媒原理を明らかにすることをprocesses, we are developing accurate theories for

目的として研究を行っている。複雑な構造を持つ分子

complex electronic structures, the QM/MM method

系を計算するためのQM/MM法、化学反応の動態を

for large molecular systems, the ab initio molecular

明らかにする第一原理分子動力学法、熱的な分子構造

dynamics method for reaction mechanisms, and揺らぎを考慮する統計力学的解析手法などの計算手

analytical methods based on quantum and statistical

法を開発するとともに、触媒反応への応用に取り組ん

mechanics. These methods are applied to the catalytic

でいる。

reactions of organic catalysts, transition metal reagents,

具体的には、（１）モデル炭素触媒系における糖の加水分解機構（２）メソポーラスシリカ担持Pt触媒のエチレン低温
酸化機構（図1）（３）酸化セリウム触媒の酸・塩基特性に関する理論的研究（図2）（４）固体酸化物と金属の界面における酸素原子の移動を介した酸化還元プロセス（５）遷移金属錯体触媒を用いたヒドロシリル化反応のメカニズム（６）金属クラスター触媒における高難度反応のメカ

and heterogeneous catalysis.
Our research activities includes:
1. Mechanism of hydrolysis by model carbon catalysts
2. Mechanism of ethylene oxidation with Pt/mesoporous
SiO2 catalyst
3. Role of the acid-base pairs in catalytic reactions on
the metal-oxide surface
4. Redox process at the metal/metal-oxide interface
5. Mechanism of the Pt catalyzed reduction of the amide
with bifunctional hydrosilane
6. Reaction mechanism on metal clusters

ニズム等の研究課題を実施している。

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

Fig. 2 Catalytic reactions on the CeO2 surface.
6物質変 換 研 究 部 門

物質変換研究部門

Catalytic Transformation Research Division

基礎研究系

Fundamental
Research

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）

シュロトリ アビジット 助教（Abhijit SHROTRI）

本部門では、固体触媒を分子レベルで設計し、再生いる。

Our strategy is molecular design of heterogeneous
catalysts and their application for utilization of renewableenergies and environmental protection. One of our
topics is conversion of non-food biomass to valuable
chemicals by heterogeneous catalysts. We have foundthat air oxidation of woody biomass provides a weakly
acidic carbon that can hydrolyze the woody biomass to
glucose and xylose (Fig. 1). The solid residue containing
the carbon catalyst and lignin after reaction is converted
back to a fresh catalyst by the same air oxidation. The
carbon catalyst can be utilized in a plug flow slurry
reactor for hydrolysis of cellulose to soluble β-1,4glucans that are further hydrolyzed to glucose in a fixed
bed reactor over a conventional solid acid catalyst. This
process is the first example for continuous conversion ofcellulose to soluble products in a slurry system.
Our interest also includes catalytic application ofmesoporous materials. We reported high activity of
Pt/mesoporous silica in low temperature oxidation of
ethylene to CO2 (Fig. 2). This catalyst is practicallyused in the latest models of refrigerators to inhibit
aging of vegetables and fruits. We are studying thestructure-activity relationship in this reaction and also
further application for the removal of odorous organic
compounds with the Pt catalyst.

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

Fig. 2 Proposed mechanism for low-temperatureoxidation of ethylene over Pt/mesoporous silica.

可能エネルギーの利用と環境保全のための反応に応用する研究を行っている。再生可能エネルギーとしては非食料バイオマスをとりあげ、固体触媒により有用化学品に変換する研究を進めている。例えば、木質バ
イオマスを空気酸化して得られる弱酸点をもつ炭素触媒がバイオマス自身を加水分解し、グルコースとキ
シロースを高収率で生成することを見出した（図1）。
この炭素触媒と木質系バイオマスの懸濁液を流通させる反応装置を開発し，バイオマスから水溶性オリゴ
糖を連続生産することにも成功した。生成したオリゴ糖は，後段の汎用的な固体酸を充填した固定床流通
反応器によって単糖類へと変換できる。この一貫プロ
セスは木質バイオマスを触媒法にて糖類へと定常的に連続変換できる初めての報告例である。
本部門では、メソ多孔体の触媒機能についても研究している。メソポーラスシリカ担持白金触媒は、エチレンを低温で完全酸化しCO 2 に変換できる。この触媒はエチレンによる野菜や果物の熟成を抑制する
ことから、冷蔵 庫用の触 媒として実 用化された。現在、触媒の構造‐活性相関の解明に加え（図2）、他の臭気性有機物の除去触媒としての応用に取り組んで

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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（Ken-ichi SHIMIZU） 古川森也 准教授（Shinya FURUKAWA） 鳥屋尾隆 助教（Takashi TOYAO）
シディキエスエムエーハキム 特任助教（S. M . A. Hakim SIDDIKI）

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

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

る。種々のin situ分光法を駆使した触媒構造・反応機

control with minimum use of precious metal resources.

構研究を通じて触媒構造－機能－性能の相関関係を

Mechanistic and structural studies by various in situ

明確化し、触媒設計にフィードバックする。これまでの

spectroscopic methods establish the structure-activity

研究から、機能の異なる複数の金属種同士または金属

relationship, which provides fundamental aspects

種と酸化物種を近接させた界面の設計が高機能触媒

for catalyst design. We have found that creation of

開発の鍵となることを明らかにしており、本設計指針

multifunctional active sites at Metal-Metal or metal-に基づき革新的機能を有する新規固体触媒を創出す

support interfaces is a key factor for design of novel

る。これらを通して、現在の世界的な課題である環境

catalysts. We try to contribute to improvement in global

問題やエネルギー問題解決への貢献を目指す。

energy and environmental situation by developing
heterogeneous catalysts with innovative functions.

8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）

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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ている。具体的には、（1）光触媒活性に影響をおよぼtheir photocatalysis. (1) double-beam photoacoustic

す電子トラップ密度のエネルギー分布をあらたに開発

spectroscopy (RDB-PAS) for evaluation of energy-

した二重励起光音響分光法により測定し、これを光触resolved density of electron traps in photocatalyst

媒活性と比較することによって高活性光触媒の設計指particles to be compared with their photocatalytic

針をえた。
（2）超高強度の単色光連続光源をつかって

activity; (2) examination of light-intensity dependence

光触媒反応速度におよぼす光強度の影響を解析し、1of photocatalytic reactions using an ultrahigh-intensity

つの粒子中の励起電子あるいは正孔の密度に依存してcontinuous monochromatic light source to find electron-

反応様式が異なることをあきらかにした。
（3）精密制transfer mechanism depending on the density of

御気相法チタニア合成装置をもちいて世界最高性能のelectrons or holes in a particle; (3) preparation of highly

十面体形状アナタースチタニア光触媒を調製し（図1）

active titanium(IV) oxide (titania) photocatalyst particles

特性評価を行った。
（4）ミクロな結晶構造およびマク(Fig. 1) using a newly developed gas-phase reactor; (4)ロな集合構造が規制されたフレークボール形状タング

development of metal oxide particles with micro-macro

ステン酸ビスマス微粒子（図2）を水熱反応によって調

hierarchical structure (Fig. 2) through hydrothermal

製し、その生成機構と光触媒反応中の電子移動反応機

reaction, and clarification of the mechanism of those構を解明した。

particle formation and photocatalysis on them.

Fig. 1

Fig. 2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）

有機化学において、有機分子の炭素骨格変換反応のCarbon-carbon bond formation/cleavage remains

開発が挑戦的なターゲットとなっている。当研究室でa tremendous challenge confronting contemporary

は、前周期遷移金属上における炭素―炭素結合切断

synthetic organic chemistry. Our group has developed

反応と炭素―炭素結合生成反応を組みあわせることによって、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報告している。
近年では、ジヒドロインデニルチタン錯体において、チタン上のジヒドロインデンの5員環部分が切断され、

a class of transition metal-mediated reactions that allow
for a novel forming/cleaving pattern of C-C bonds.
Particularly in the past few years, several novel C-C
bond formation and cleavage reactions on titanium
have been demonstrated. In this context, as shownin Scheme 1, the five cyclic carbons in dihydroindene

５つの環状の炭素が鎖状になり、さらに5つの鎖状のmoiety were cleaved and transformed to five linearly

炭素が３つの炭素部分と２つの炭素部分に分離するこaligned carbons, which were then further cleaved intoとを見出した。

one two-carbon and one three-carbon fragments.

また、ベンゼン環が直線状に縮環した構造を有する

In parallel, we also attempted a range of approaches

アセンを出発物とし、アセンの末端で二量化を行った

for the synthesis of substituted acenes. Our most recent

後、順次炭素-炭素結合を形成することにより、完璧なeffort has been focusing on discovering a new route to

立体選択性で種々の二次元アセンを構築するという合成手法も開発している。

the synthesis of 2D acenes from acenes (Scheme 2).
Toward this end, Mn catalysts were used to promote
the dimerization of acenes at the first ring following the
introduction of a hydroxyl group. Finally, C-C bonds
formed between the remaining carbons one at a time togive 2D acenes.

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

Scheme 2. Controllable synthesis of 2D acenes fromacenes via carbon-carbon bond formations from one
side to the other.
10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） 王ヤン 助教（Yue Wang）

部門では先端材料としての応用を目指して構造制御

Our research activities focuse on the synthesis ofされた高分子および超分子を合成している。重合反応

polymers having controlled structures including helices,の設計により、らせん、π-スタック型、ハイパーブラン

π-stacked conformations, and hyperbranches andチ型などの分子構造および高次構造の制御を実現し、加えて、液晶等の分子間構造制御法も開発している。
制御 構造を有する高分 子・超 分 子を用い、触 媒、発光、光電子物性、光学非線形特性、分離、薬理活性等の高度な機能の発現に挑戦している。

phases aiming at creating advanced materials showing
catalytic activities, photo emission, photo-electronic
functions, non-linear optical properties, separation
functions, and pharmaceutical activities.
We have succeeded in synthesis and structural

当研究室ではπスタック型構造をビニルポリマーに

elucidation of π-stacked vinyl polymer, poly(dibenzo-

対して制御することに初めて成功した（図１）。πスタッ

fulvene), for the first time (Fig. 1). Based on the

ク型ポリマーは特異な立体構造に基づいて、興味深い

π-stacked structure, this polymer shows valuable photo

光・電子物性を示す。光電子物性は主鎖共役系高分子に特異的なものと考えられていたが、ビニルポリマーの構造制御により優れた材料が開発できることを明らかにした。また、円偏光を用いたらせん高分子の合成

11supramolecules including ordered liquid crystalline

electronic properties that have been thought to be
unique to main-chain conjugated polymers. Anothergoal is to create a polymer helix using light: we have,for the first time, prepared a preferred-handed helix on
the basis of chirality of light (circularly polarized light) inに成功し、さらに、光でらせんの向きをスイッチングすa reversible manner and further extended this work to a

るらせん高分子系の開発も行っている（図2）。

helical-sense 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).

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

発部門は、産学連携強化を推進する文部科学省の要

at the Institute for Catalysis (ICAT), Hokkaido University

請に応えて2014年４月からその活動を開始しました。

in 2014 at the request of the Ministry of Education,

2015年４月には、北海道大学と国立研究法人産業技術総合研究所との間にクロスアポイントメント制度が導入され、研究開発部門のメンバーによる北大クロス

Culture, Sports, Science and Technology (MEXT) toestablish a close relationship between academia andindustry. In April 2015, Hokkaido University, and the
National Institute of Advanced Industrial Science andアポイントメントチームが産総研・触媒化学融合研究

Technology (AIST), executed the contract to realize the

センター内に発足しました。更に、北大・触媒科学研

cross-appointment system for the sake of reinforcing the究所、国立研究法人理化学研究所・環境資源科学研究

collaboration of government, industry and academia.

センター、産総研・触媒化学融合研究センター及び人Then the cross-appointment team being constituted of

工知能研究センターの連携協力で、「キャタリストイン
フォマティクスによる触媒開発」のプロジェクトを立上げ、2016年10月31日には、「持続可能社会実現に向けたキャタリストインフォマティクス」をテーマに触媒

the Research and Development Division was newly set
up in AIST. Utilizing the government-industry-academia
network, the new program, "Catalyst Informatics",
was launched by the cooperation among the Center
for Sustainable Resources Science, Riken, the科学研究所が主催者となり、北大ー理研ー産総研合同

Interdisciplinary Research Center for Catalytic Chemistry

国際シンポジウムを北大にて開催しました。

and the Artificial Intelligence Research Center, AIST.

12触媒ターゲット研究アセンブリ
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 ASAKUR A, ICAT, Hokkaido Univ.）

福岡

淳（Atsushi FUKUOKA, ICAT, Hokkaido Univ.）

高橋保（Tamotsu TAKAHASHI, ICAT, Hokkaido Univ.）

中野

環（Tamaki NAKANO, ICAT, Hokkaido Univ.）

清水研一（Ken-ichi SHIMIZU, ICAT, Hokkaido Univ.）

西田まゆみ （Mayumi NISHIDA, ICAT, Hokkaido Univ.）

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

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 todevelop the forefront of the interdisciplinary area related

サステナブル触媒事業：

持続可能な社会に向けた

to catalysis. (1) Sustainable catalysis research project is

技術革新を可能とする触媒科学技術の研究を推進・

to promote and support advanced catalysis researches

支援する。

as well as to introduce transcendental approaches

触媒高度実践研修プログラム事業：

統合的触媒研in catalysis. (2) Training and education program is

究体制のもと、研究者の人材育成、触媒開発支援をす

to contribute in developing human resources and inる。

outreach activities to the society. (3) Database project

触媒データベース事業：

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

is to accumulate experimental and XAFS information of
catalytic systems and to develop catalysis informatics.

と共に、新学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。

Fig. 1. Top page of the web site of the catalyst database13

Target Oriented Research Assembly

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.）

瀧川一学（Ichigaku Takigawa, 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.）

津田宏治（Koji Tsuda, The Univ. of Tokyo）

角山寛規（Hironori TSUNOYAMA, Keio Univ.）

魚崎浩平（Kohei UOSAKI, NIMS）

田旺帝（Wan-Jae CHUN, International Christian Univ.）
山田泰之（Yasuyuki YAMADA, Nagoya 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 nanostructures by modifying oxide single

光全反射蛍光XAFS法を用いて原子レベルでの構造評価を行い、ナノ構造と触 媒 活性の相関に関する情

crystal surfaces with various functional molecules andmetals. The origin of the catalytic activity is elucidated
by using advanced surface science techniques suchas STM and PTRF-XAFS. Machine-learning technique

報を蓄積する。また、蓄積した情報を機械学習によりis also applied to predict nanostructures with higher

モデル化し、より高活性を示すナノ構造の高速予測を

activity.

試みる。
酸化物上の金属ナノ粒子は担持金属触媒をはじめとした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（サイズが１ nm以下）を均一

We are now focusing on metal clusters on oxidesurfaces because they are technologically important asoxide-supported metal catalysts and electronic devices.
It is not easy to prepare homogeneous subnanometersized clusters on oxides because they are easilyに十 分な量担持することが 難しい。しかし酸化物表

aggregated to form large clusters. We succeeded in

面を、あらかじめ金属と強く相互作用する官能基を有preparing an atomically dispersed metal species byする機能性分子で修飾することで、図１のように金属（Au、Ni、Cu）を単原子状に分散できる。これをビルディングブロックとして、原子単位で制御した微小ターゲット研究部

面ナノ反応場を構築する。走査型トンネル顕微鏡や偏premodifying an oxide surface with functional molecules
before metal deposition (Fig. 1), which may enableprecise size control of subnanometer-sized clusters withunique catalytic properties.

クラスターの調製が可能になり、ユニークな触媒特性の発現が期待できる。

Fig. 1. Atomically dispersed
Au on TiO2(110) premodified witho-MBA (mercaptobenzoic acid)molecules.
14

■ ターゲット研究部

プラズモン光触媒反応研究クラスター
Research Cluster for Plasmonic Photocatalysis
http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~k15391/

展開型

Extensive
Research
Section

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）

阿部竜（Ryu Abe, Kyoto Univ.）

Member: 髙草木達（Satoru TAKAKUSAGI, ICAT, Hokkaido Univ.）

Agata MARKOWSKA-SZCZUPAK（West Pomeranian Univ. of Technology, Poland）

Christophe COLBEAU- JUSTIN(Paris-sud Univ., France)

Saulius JUODKAZIS (Swinburne Univ., Australia)
Sven R AU (Ulm Univ., Germany)
Izabela Rzeznicka (Shibaura Institute of Technology)

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)and affected (bottom) by irradiated plasmonic
photocatalysts.
15

Hynd REMITA（Paris-sud Univ., France）
Wojciech MACYK（Jagiellonian Univ., Poland)
Adriana ZALESKA-MEDYNSKA(Gdansk Univ., Poland)

Marcin JANCZAREK(Gdansk Univ. of Technology, Poland)

Our research focuses on development of plasmonic
photocatalysis with ability of working at visible range ofsolar spectrum, i.e. mono and bimetallic photocatalysts
composed of gold, silver, copper, platinum and wideband semiconductor. The influence of structuralproperties on the photocatalytic activity and themechanism of chemical and microbiological (bacteria
and fungi) pollutants degradation 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), timeresolved microwave conductivity (TRMC), electron
paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy,
fluorescence spectroscopy, quasi-Fermi level
determination, action spectrum analysis. The influenceof titania facets (101 and 001) on properties of metal
deposits, and thus on resultant photo- and antimicrobial
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.）
田村正純 （Masazumi TAMUR A, Tohoku Univ.）髙草木達（Satoru TAKAKUSAGI, ICAT, Hokkaido Univ.）

中村恒夫（Hisao NAKAMUR A, AIST）

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

Our research focuses on the understanding andtheoretical modeling of interfaces (solid/air, solid/
liquid, solid/solid interfaces) with the help of computer
simulations such as the first-principles molecular
dynamics simulations and QM/MM methods.
In particular, we focus on the following topics.
(a) Role of the acid-base pairs in catalytic reactions on
the metal-oxide surface.
(b) Ab initio thermodynamics and molecular dynamics
simulations in heterogeneous catalysis.
(c) In silico catalyst design for direct conversion of
methane and lower alkanes.
(d) Theoretical modeling of the electron transport andredox process at the metal-oxide/metal interfaces.
(e) Development of the QM/MM method for periodic
systems and its application to heterogeneous
catalysis.

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

Fig. 2. First-principles simulations of catalytic reactions
at the solid/liquid interface.

ターゲット研究部

本研究クラスターでは、固体表面および固／液・固／固界面における触媒反応プロセスのメカニズム解明と理論的設計法の確立を目指し、第一原理分子動力学
法やQM/MM法などの量子シミュレーション手法をもとに方法論の開発と応用研究を推進する。具体的には
以下の項目に重点を置く。
(a) 金属酸化物触媒の酸・塩基特性に関する理論的研
究： 第一原理計算により金属酸化物触媒の酸・塩基点の役割を解析し、それらの協働作用に着目した触媒機能について検討する。
(b) 不均一系触媒反応における熱揺らぎと溶媒効果の検討： 不均一系触媒を用いた液相有機合成反応
をターゲットとし、熱力学的な効果に着目した触媒機能解析を行う。熱力学的解析や第一原理分子
動力学法による自由エネルギー計算を行う。
(c) メタンや低級アルカンの直接変換反応に向けたinsilico触媒設計： 金属酸化物や金属、有機化合物
を複合的に組み合わせることで出現する特異な反応場に着目し、メタンや低級アルカンの反応活性化に有効な触媒材料探索を試みる。
(d) 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： 金属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。
(e) 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。

16

■ 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 Univ.）

一國伸之（Nobuyuki ICHIKUNI, Chiba Univ.）

神谷裕一（Yuichi KAMIYA, Hokkaido Univ.）

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

本倉健（Ken MOTOKUR A, Tokyo Institute of Technology） Emiel J.M. HENSEN
加藤英樹（Hideki KATO, Tohoku Univ.）（Eindhoven Univ. of Technology, The Netherlands）

Barbara ONIDA（The Politecnico di Torino, Italy）

近年、化石資源に依存しない資源循環型社会の構

Chemical production from 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

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

important in recent years for the development ofsustainable 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 presenceof water. In this project, acid and base functionality

組む。主な検討内容は、多様な植物由来の炭水化物

of electron-deficient metal species and electron-richを中心とする化合物群（糖類、高級脂肪酸およびそのlattice oxygen sites, respectively, on metal oxides has

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。

been studied for the carbohydrates conversion in thepresence of water. Precise control of basicity for oxide
catalysts would enable selective production of various
small (C2-C4) and large (> C12) hydrocarbons thoughfragmentation and condensation reactions. The resulting
molecules can be used as sustainable resources forthe production of a variety of industrially importantchemicals.

Conceptual illustration of
acid-base pair on metaloxide surface
available for carbohydrates
conversion in water17

Department of Target Research

機能性合金触媒研究クラスター
Research Cluster for Functional Alloy Catalysts
http://www.cat.hokudai.ac.jp/shimizu/

展開型

Extensive
Research
Section

ユニークな合金材料を用いた次世代型触媒の設計と開発
Design and Devising of Next-Generation Catalysts Using Unique Alloys
Cluster Leader: 古川森也（Shinya FURUKAWA）
Member: 朝倉清髙（Kiyotaka ASAKURA, ICAT, Hokkaido Univ.）

長谷川淳也（Jun-ya HASEGAWA, ICAT, Hokkaido Univ.）

亀岡聡（Satoshi KAMEOKA, IMR AM , Tohoku Univ.）

小松隆之（Takayuki KOMATSU, Tokyo Institute of Technology）
Ning YAN （National Univ. of Singapore）

有賀寛子 （Hiroko ARIGA, ICAT, Hokkaido Univ.）
小河脩平 （Shuhei OGO, Waseda Univ.）

合金の触媒材料としての有用性は幅広く認知されAlloys have been recognized as effective catalystている一方、その触 媒設 計における方法論および 理

materials. However, the general methodology and論体系についてはいまだ確立されていないのが 現状
属の性質を把握したうえで合金の構造や電子状態を
原子レベルで理解することが重要である。本研究クラスターでは、合金の触媒材料としての本質的な理解とそれに基づく高性能触媒の開発を進める目的で、(1)construction. To develop efficient alloy catalysts andestablish the corresponding chemistry, it is importantto understand the surface structures and electronic
states of the alloys in an atomic level. For this purpose,
we study the following themes from the viewpoints ofcatalytic chemistry, metallurgy, surface science, and「規則性合金の特異的表面構造を利用した高難度分

theoretical chemistry:

子変換系の開拓」、(2) 「より高度な触媒設計を指向(1) Achieving stereo and regioselective molecular trans-

した金属間化合物 ― 固溶体ハイブリッドアロイの調製と触媒反応への適用」、(3) 「貴金属代替を指向したバンドエンジニアリングによる卑金属合金触媒の開発」について、触媒科学、金属学、表面科学、計算科学の視点から、多角的に研究を行う。

ターゲット研究部である。優れた合金触媒を開発するためには、各種金theory for catalyst design remain under debate andformations using specific atomic arrangements ofordered alloys.
(2) Synthesis and application of “intermetallic-solid
solution hybrid alloys” for well-controllable catalyst
design.
(3) Band engineering for devising base metal alloys asalternatives for noble metal catalysts.

Fig. 1. Hydrogen-mediated stereoselective alkene
isomerization using specific surface atomic arrangementof RhSb ordered alloys.

Fig. 2. Molecular recognition property of RhIn(110) surface
capable of chemoselective hydrogenation of nitroarenes atroom temperature under 1 atm H2.
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研 究 支 援 技 術 部 Te ch n i cal Di v i si on
先端研究を支える技術支援

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

な要望に迅速に対応し、ガラス・金属製の実験器具・

Equipment Development Teams No. 1 and No. 2 and the装置の開発・製作・改良、本研究所機器・設備・ネット
ワーク管理などの多岐にわたる技術補助を行い、本研究所の高度な研究を支えている。
先 端研究を支えるために、研究者からの要望を細かく検討することで、より研究に必要なものにしていく技術支援を行なっている。
第一研究機器開発班：数百種類以上の装置・器具

Research Equipment Management Team.
Research Equipment Development Team No. 1
manufactures glassware commonly used in chemical
experiments as well as special glassware that is notcommercially available, such as special spectrochemicalcells.
Research Equipment Development Team No. 2 isin charge of metals, polymers/plastics, and ceramics
processing. For example, special home-made vacuumの開発・製作経験を活かした精度・実用度の高いガラ

components and electrochemical cells are manufactured

ス加工を行っている。

and processed using automated/manually controlled

第二研究機器開発班：金属・樹脂・セラミックスの加工を行っており、主に真空部品・光学部品・電気化
学セル 等を製作している。汎用の工作機械を用いた加工から、自動プログラムを用いたNC加工までさま
ざまな機械工作を行っている。
研究機器管理班：本研究所の走査型電子顕微鏡、
透過型電子顕微 鏡、X線光電子分光装置、吸着測定装置、核磁気共鳴装置の機器管理、ネットワーク管理

machine tools.
The Research Equipment Management Team is
responsible for maintaining common-use equipment,such as SEM, TEM, XPS, and NMR.
Our mission is to contribute to research at ICAT
through technical support. We aim to make user-friendly,
highly efficient equipment as requested, through active
discussion and consultation with the researchers fromthe early stages of development. Although we have
many years of experience in glassblowing and metal
processing, we make every effort to acquire new skills.

を行っている。

研究支援技術部
第一研究機器開発班製作物
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第二研究機器開発班製作物

研究機器管理班作業風景

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