グローバル課題の解決にむけてCatalysis Development Toward Solution for Global Problems

2019年度を迎えるにあたり，ご挨拶申し上げます。昭和18年（1943年）に設立された触媒研究所
は，
平成元年（1989年）に触媒化学研究センターとして，平成27年（2015年）に今日の触媒科学研究所として改組されました。現在，研究所では革新的触媒の開発と学理追究を担う基礎研究系８部門，研究成果の実用化および産業界ニーズの技術シーズ化を担う開発系１部門が基盤的研究開発を推進しています。ターゲット研究部は５クラスターで構成
され，リーダーである准教授が主体的に国内外 の研究者を交えて運営し，特定の重要研究課題の解決を目指した研 究を行っています。附 属 触 媒 連 携
研究センターには，ユニットと呼ばれる5つの組織があり，刻々と変化する社会的要請に対応するために，柔軟かつ戦略的に外部との連携を組織化しています。研究支援技術部は，ガラス・金属加工と装置の管理・運営などで最先端研究を技術的にサポートします。また，国外の触媒研究拠点約２０か所と研究・教育活動の連携パートナーとして，学術交流協定を締結しています。
本研究所は，平成22年（2010年）に文部科学省
から共同利用・共同研究拠点として認定を受け，国内の触媒研究に従事する研究者の利用に供すべく拠点活動を行って参りました。触媒コミュニティー
と共に設定した戦略的研究課題と研究者の独自の発想に基づく研究課題への公募を行い，共同研究を端緒とする新しい触媒科学の構築を目指しています。昨 年 度 ，拠 点 活 動 の 国 際 化を推 進 するために，共同利用の国際公募を開始しました。内外の皆さまのご協力により採択課題の一割が海外からの国際共同研究課題になり，拠点活動は新たなフェー
ズに入りました。併せて，国内の優れた研究成果を海外に周知するための情報発信型シンポジウム，
国内外の研究者への技術指導や社会への貢献を目的とする触媒高度実践研修プログラムを実施し，拠点としての役割を果たして参ります。
さらに，平成22年（2010年）より名古屋大学物
質科学国際研究センター，京都大学科学研究所附属元素科学国際研究センター，九州大学先導物質
化学研究所と共に統合物質創成化学研究推進機構に参画しています。これら研究所間の共同研究を通して，化学・物理・生物にまたがる物質階層と合成概念を統合する新学術基盤を創成し，同時に若手研究者の育成を図っています。
資源や環境などの問題が顕著になっている昨今，
物質変換とエネルギー変換は，豊かな生活の基盤
のみならず，
生命の存立基盤を支える技術になりつつあります。これらの課題解決の手段となる触媒開発の社会的重要性は益々高まりつつあり，学理の追究とイノベーションを双輪として推進すべく，清水研一副所長，中野環連携センター長をはじめ研究所構成員一丸となって全力を尽くす所存です。これまでにも増して，皆様からのご協力ならびにご指導とご鞭撻を賜りますようお願い申し上げます。
平成3１年4月
北海道大学触媒科学研究所長
長谷川淳也

1

In the beginning of the fiscal year 2018, I would
like to say a few words.
The establishment of the institute can be dated
back to 1943 when the Research Institute for
Catalysis was established in Hokkaido Imperial
University. The Institute was restructured as
Catalysis Research Center in 1989 and further into
the present form, Institute for Catalysis (ICAT) in
2015. The department of fundamental research is
responsible for the research and development ofinnovative catalysts. The department of practicalapplications aims at transferring the achievement
to the industrial application and at creating
technological seeds inspired by the industrial
needs. The department of target research isdriven by associate professors. Researchers
outside ICAT even from foreign countries arecollaborating on specific important problems.
Catalysis Collaborative Research Center provides
cooperation units to adapt to the social imperatives
that is rapidly changing due to not only scientificand technological trends but also politics andeconomics inside and outside Japan.
In 2010, ICAT was authorized as a Joint Usage/
Research Center by the Ministry of Education,
Culture, Sports, Science and Technology (MEXT)
of Japan. Since then, ICAT has provided financial
and technical supports to the collaboration
proposals from the catalysis community. To
promote collaborations with researchers fromabroad, we internationalized this project. The effortof this direction brought a fruitful outcome, andabout 10 % of the adopted proposals are fromthe world catalysis community. We continue theinternationalization and welcome the research
proposal from abroad.
I C AT a l s o p a r t i c i p a t e s a M E X T p r o j e c t ,Integrated Research Consortium on Chemical
Sciences, that is jointly organized by Nagoya,
Kyoto, Kyushu Universities. This project aims at
unifying the concept of materials and synthesis at
the interdisciplinary level and also at cultivating
young talents.
Since problems on natural resources andenvironment become more and more prominent,
developments in material transformation, energy
conversion, and environmental protection will beessential not only for our affluence but for thefoundation of life on earth. We will pursuit bothprinciple and innovation in catalytic science tosolve these problems. We hope to have yourguidance and warm support.
Jun-ya Hasegawa
Director of Institute for Catalysis
April 2019

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 Divisionhttps://www.cat.hokudai.ac.jp/asakura/

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

朝倉清髙 教授（Kiyotaka ASAKUR A） 髙草木達 准教授（Satoru TAKAKUSAGI） 三輪寛子 助教（Hiroko ARIGA- MIWA）

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 to develop unique surface analysisの構造や電子状態を解析し、反応機構の解明を行うとtechniques, to observe the catalytically active solid

ともに、触媒として興味深い表面を作って、反応を操る

surfaces on an atomic level, to reveal the reactionのが研究室のミッションです。とくに、高エネルギー加速器研究機構やSPring-8と連携し、放射光、陽電子、
ミュオン、自由電子レーザといった加速器ベースの量子ビームを触媒に応用し表面の新知見を得る研究を行っています。たとえば、モデル燃料電池触媒の研究に取

surfaces and to manipulate the surface reactions.
We applied the accelerator-based beam techniquessuch as synchrotron radiation, positron, muon and

り組み、動作環境における表面構造の変化や電子状態

X-ray free electron laser to the characterization of theの変化をとらえられる超高感度XAFSの開発に取り組

surfaces. Also we are developing bond specific MARX-

んでいます（図1）。また、特定の結合のみに着目して、Raman (Multi Atom Resonance X-ray Raman) XAFS.

XAFSを得るMARX-Ramanの検証に成功しました。

The high sensitivity XAFS has been developed which

一方、新しい触媒として注目を集めるインターメタリク

can detect 1 ML on a flat surface as shown in Fig. 1.

スであるNi2Pの触媒作用と物性/構造の研究も行って

We can observe the XAFS of sub monolayer Pt. Fig. 2.

います。また、電気化学反応中に起こる表面変化の研究もしています。表面制限還元置換法（SLRR）法でPtの一原子層がAu上にできることが知られていますが、それを様々な表面科学的手法で研究し、従来考えられていた構造とは異なる構造を提案しました。図2に示す

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mechanisms, to make the catalytically interestingshows the model structure of Pt monolayer preparedby the SLRR (Surface Limited Reduction Replacement)
method which gives 1ML Pt on Au(111) surface. We
have decided the structure which is different from what is

ようにPtが核となり、PtCl 2が周辺を取り囲むという2

usually postulated. The structure has the 2 D core-shell

次元コアシェル構造をしていることを明らかにしましwhere the Pt cluster is present in the core surroundedた。

by PtCl2 complex.

Fig. 1 Ultra-high sensitive XAFS measurement system
and XAFS spectra of sub monolayer Pt on Highlyoriented pyrolytic graphite(HOPG)

Fig. 2 Proposed structure where metallic Pt (40%) +PtCl2 complex (60%) are present on Au(111). Green,
Cl; blue,Pt; yellow, Au.

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://theory.cat.hokudai.ac.jp/

理論計算手法による複雑分子系の触媒原理の解明
Theoretical and Computational Approach to Catalytic Principles
長谷川淳也 教授（Jun-ya HASEGAWA） 高敏 助教（Min GAO）

本部門では、電子状態、分子構造、動力学など多元To understand complex mechanisms 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第一原理分子動力学法、熱的な分子構造
揺らぎを考慮する統計力学的解析手法などの計算手法を開発・応用し、触媒原理の解明と新規触媒の設計に取り組んでいる。
具体的には、（1）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（3）固体酸化物触媒を用いた有機合成反応のメカニズム解明（図1）（4）メタン活性化に向けた触媒設計（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

describing electronic structures in complex molecularsystems, the QM/MM methods for large molecularsystems, the first-principles molecular dynamics
simulations for reaction dynamics, and analyticalmethods based on quantum and statistical mechanics.
These methods are applied to various catalytic reactions
involving organic, transition-metal, and heterogeneous
catalysts.
Our current research focuses on the following topics:
1. Mechanism of hydrolysis by carbon catalysts.
2. Mechanism of ethylene oxidation with Pt/mesoporous
SiO2 catalyst.
3. Organic catalytic reactions on the metal-oxide surface.
4. Computer-aided catalyst design for methane activation.
5. Mechanism of transition metal-catalyzed hydrosilylation
reactions.
6. Reaction mechanism of activation of inert moleculesby metal cluster catalysts.

ニズム（図2）
等の研究課題を実施している。

Fig. 1 Catalytic reactions on the CeO2 surface.

Fig. 2 Rearrangement pathway of gold clusters with aO2 molecule.
6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 Divisionhttps://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。具体的には天然に豊富に存在する木質系バイオマスや海洋バイオマス（キチン）をターゲットとし、それらを固体触媒により有用

topics is conversion of non-food biomass including
lignocellulose biomass and chitin (marine biomass) tovaluable chemicals by heterogeneous catalysts. We

化学品に変換する研究を進めている。例えば、木質バ

have found that air oxidation of woody biomass provides

イオマスを空気酸化して得られる弱酸点をもつ炭素

a weakly acidic carbon that can hydrolyze the woody

触媒によってバイオマス自身を加水分解し、水溶性オ
リゴ糖や単糖類（グルコースとキシロース）を高収率で生産することができる（Fig. 1）。最近では、シェー

biomass to its constituent sugars. The carbon catalyst
can be utilized in a plug flow slurry reactor for hydrolysis
of cellulose to soluble β-1,4 glucans and glucose by
subsequent hydrolysis in a fixed bed reactor over a

ルガスの主 成分であるメタンから合成ガスを6 0 0 -conventional solid acid catalyst (Fig. 1). Recently we

700 ℃程度の低温条件下で選択的に合成できるゼ

have developed that zeolite-supported Rh(0.005wt%)-

オライト担持Rh(0.005wt%)-Co(3 wt%)触媒の開発も進めている。

Co(3wt%) catalyst selectively produces syngas (CO +H2) from methane at low reaction temperatures (600700 ºC).

我々は、メソ多孔体の触媒機能についても研究して

Our interest also includes catalytic application ofいる。メソポーラスシリカ担持白金触媒は、エチレン

mesoporous materials. We reported high activity ofを低温で完全酸化しCO2に変換できる（Fig. 2）。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。

Fig. 1 Conversion of cellulose to soluble β-1,4 glucans
and glucose by a carbon catalyst.
7energies and environmental protection. One of our

Pt/mesoporous silica in low temperature oxidation of
ethylene to CO2 (Fig. 2). This catalyst is practically usedin the latest models of refrigerators to inhibit aging ofvegetables and fruits.

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

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 Divisionhttps://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） 前野禅 特任講師（Zen MAENO）
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
構研究を通じて触媒構造－機能－性能の相関関係を明確化し、触媒設計にフィードバックする。これまでのcontrol with minimum use of precious metal resources.
Mechanistic and structural studies by various in situ
spectroscopic methods establish the structure-activity
relationship, which provides fundamental aspects

研究から、機能の異なる複数の金属種同士または金属

for catalyst design. We have found that creation of

種と酸化物種を近接させた界面の設計が高機能触媒

multifunctional active sites at Metal-Metal or metal-

開発の鍵となることを明らかにしており、本設計指針

support interfaces is a key factor for design of novelに基づき革新的機能を有する新規固体触媒を創出する。実験で得られる知見に加えて、計算科学やデータ科

catalysts. We utilize computational and data science inaddition to the aforementioned experimental findings
to contribute to improvement in global energy and学を活用した研究も展開し、現在の世界的な課題であenvironmental situation by developing heterogeneous

る環境問題やエネルギー問題解決への貢献を目指す。

catalysts with innovative functions.

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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 Divisionhttps://pcat.cat.hokudai.ac.jp/pcat

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粒子の設計と調製、評価をおWe are aiming to design, fabricate and characterize

こなうとともに、光触媒反応の原理の解明をめざして

photocatalyst particles and to clarify the mechanism

いる。具体的には、（1）粉末試料中の電子トラップ密度のエネルギー分布をあらたに開発した逆二重励起

photoacoustic spectroscopy (RDB-PAS) (Fig. 1) for
evaluation of energy-resolved density of electron traps

光音響分光法（図1）により測定し、光触媒にかぎらず

in sample particles has been developed and shown

ほぼすべての金属酸化物の「同定」と他の手法では不to be a unique comprehensive identification and

可能な精密評価が可能であることをあきらかにした。

evaluation method for almost all metal oxides not limited（2）超高強度の単色光連続光源をつかって光触媒反応速度の光強度（光束）依存性を解析し、ひとつの粒

to photocatalysts. (2) Light-intensity dependenceswere examined using ultrahigh-intensity continuous
monochromatic light sources to find electron transfer

子中の励起電子あるいは正孔の密度に依存して反応様

mechanism depending on the density of electrons or式が異なることや、白金などの担持金属の役割をあき

holes in a particle and co-catalytic action of loaded noble

らかにした。
（3）改良水熱合成法および精密制御気相

metals. (3) Preparation of highly "pure" titanium(IV)

法によってそれぞれ八面体形状および十面体形状（図2）のアナタースチタニア光触媒の調製に成功し，標準9of their photocatalysis. (1) Reversed double-beamoxide (titania) photocatalyst particles with decahedral(Fig. 2) and octahedral shapes by coaxial flow-type
gas-phase reaction and modified hydrothermal method,

光触媒試料として利用できることを示した。

respectively.

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 Divisionhttps://www.cat.hokudai.ac.jp/takahashi/

有機金属化学を駆使して、炭素が有機分子上を旅行する
全く新しい反応の開発に成功した！

Successfully developed“travelling carbons on organic molecules”for the first time in the world
高橋保 教授（Tamotsu TAKAHASHI） 笠原二郎 研究推進支援教授（Jiro KASAHAR A）

有機化学において、有機分子の炭素が有機分子上をTravelling of carbons on organic molecules is a big

旅行するように移動する反応は世界中で誰も成しえてchallenging target in organic chemistry in the world. Our

いない挑戦的なターゲットとなっていた。当研究室では、前周期遷移金属上における炭素―炭素結合切断
反応と炭素―炭素生成反応を組みあわせることによっgroup successfully achieved the travelling of carbons
on organic molecules and those carbons came backて、これまで誰も成しえなかった、有機分子上を炭素がto the starting position. It is named “Merry-Go-Round

旅行する反応を開発することに成功し、最終的に元にreaction”. This reaction has a different aspect where

戻るメリーゴーランド反応を見出し報告した。これは有three carbons travel around the six-membered ring.

機分子の中で炭素骨格の6員環がぐるぐる回るメリー
ゴーランドと見ることもできるが、６員環の周りを炭素がぐるぐる旅行する反応と見ることもできる。

In addition, we also attempted a range of approaches
for the synthesis of substituted acenes. Our most recent

また、ベンゼン環が直線状に縮環した構造を有する

effort has been focusing on discovering a new route to

アセンを出発物とし、アセンの末端で二量化を行った

the synthesis of 2D acenes from acenes (Scheme 2).

後、順次炭素-炭素結合を形成することにより、完璧な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。

Scheme 1. Travelling of carbons on Organic Molecules
on Titanium: Merry-Go-Round Reaction

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
Structural Control of Polymers and Supramolecules Leading to Advanced Materials
中野

環 教授（Tamaki NAKANO） 宋志毅 准教授（Zhiyi SONG）

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 activities encompass synthesis

御された高分子および超分子を合成している。重合反and characterization of polymers having controlled

応の設計により、らせん、π-スタック型、ハイパーブラ

structures including helices, π-stacked conformations,

ン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structural regulation of supramolecules including liquid
crystalline materials. With such ordered structures inる。制御構造を有する高分子・超分子を用い、触媒、

hand, we aim at creating advanced materials showing

発光、光電子物性、光学非線形特性、分離、薬理活性

catalytic activities, photo emission, photo-electronic

等の高度な機能の発現に挑戦する。

functions, non-linear optical properties, separation

当研究室ではπスタック型構造をビニルポリマーに対して制御することに初めて成功した（図１）。πスタッ
ク型ポリマーは特異な立体構造に基づいて、興味深い

functions, and pharmaceutical activities.
We h a v e s u c c e e d e d i n t h e s y n t h e s i s a n d
structural elucidation of π-stacked vinyl polymer,
poly(dibenzofulvene), for the first time (Fig. 1). Based

光・電子物性を示す。光電子物性は主鎖共役系高分子

on the π-stacked structure, this vinyl polymer showsに特異的なものと考えられていたが、ビニルポリマー

valuable photo electronic properties that have been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に成功し、さらに、光でらせんの向きをスイッチングす11

hyperbranches, and cross-linked gels, and also

thought to be unique to main-chain conjugatedpolymers. Another goal is to create a polymer helix
using light: we have, for the first time, prepared a singlehanded helix of polymers on the basis of chirality of light

るらせん高分子系の開発も行っている（図2）。

(circularly polarized light) in a reversible manner (Fig. 2).

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

Fig. 2. Regulation and switching of polymer helix bycircularly 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 Divisionhttps://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 guided by the Ministry of Education, Culture,

2015年4月には、北海道大学と国立研究開発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

Sports, Science and Technology (MEXT). At the end of
2014, Hokkaido University and the National Institute ofAdvanced Industrial Science and Technology (AIST)

度が導入され、研究開発部門のメンバーによる北大クdrew up a contract to realize the cross-appointment

ロスアポイントメントチームが産総研・触媒化学融合

system to reinforce the government-industry-academia

研究センター内に発足しました。2015年からは、北

network. In 2015, I was appointed the leader of the

大・触媒科学研究所、国立研究開発法人理化学研究
所・環境資源科学研究センター、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

Hokkaido University Cross-appointment Team, which
was set up in the Interdisciplinary Research Center for
Catalytic Chemistry AIST. Then, with the cooperationof ICAT, AIST and Riken (the Institute of Physical andで、「キャタリストインフォマティクスによる触媒開発」

Chemical Research), we launched the project namedのプロジェクトを立上げ、毎年シンポジウムを開催して“Catalyst Informatics.” The Artificial Intelligence Researchいます。現在では国立研究開発法人物質・材料研究機

Center AIST helped facilitate and drove the project. In

構（NIMS)にも連携の輪を広げ、北大―理研―産総研―NIMS合同で、2018年11月21日に「変貌する触媒

2017, the National Institute for Materials Science (NIMS)
joined the project and “Catalyst Informatics Symposium,-Catalyst Research in the Process of Change and Its

研究とその社会的インパクト」と題してキャタリストイ

Social Impact-” was held in the collaboration with ICAT-

ンフォマティクスシンポジウムを開催しました。

Riken-AIST- NIMS in 2018.

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

https://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.）

ターゲット研究部

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

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

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、触媒科学における新学際領域を戦略的に開拓することを目的とした事業を行う。

hard and soft infrastructures in the institute, to promoteand enhance the collaborations and cooperation in thecommunity of catalysis science and engineering, and to

持続可能な社会に向けた

develop the forefront of the interdisciplinary area related

技術革新を可能とする触媒科学技術の研究を推進・

to catalysis. (1) Sustainable catalysis research project is支援する。

to promote and support advanced catalysis researches

サステナブル触媒事業：

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。
触媒データベース事業：

触媒データベースの構築を

as well as to introduce transcendental approaches
in catalysis. (2) Training and education program is
to contribute in developing human resources and in

継続し、複雑に進化する触媒科学技術を体系化する

outreach activities to the society. (3) Database projectと共に、新学際領域としてキャタリスト・インフォマ

is to accumulate experimental and XAFS information of

ティクスの発展を企図する。

catalytic systems and to develop catalysis informatics.

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
https://www.cat.hokudai.ac.jp/asakura/

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）
増田卓也（Takuya MASUDA, NIMS）

近藤敏啓（Toshihiro KONDO, Ochanomizu 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な表面

defined active nanostructures by modifying oxide single

ナノ反応場を構築する。走査型トンネル顕微鏡や偏光
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報を蓄積する。また、蓄積した情報を機械学習によりモデル化
し、より高活性を示すナノ構造の高速予測を試みる。
酸化物上の金属ナノ粒子は担持金属触媒をはじめと

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
is also applied to predict nanostructures with higher
activity.
We are now focusing on metal clusters on oxide

した様々な材料に応用されているが、凝集が起こりや

surfaces because they are technologically important as

すく、微少クラスター（サイズが1nm以下）を均一に十oxide-supported metal catalysts and electronic devices.

分な量担持することが難しい。しかし酸化物表面を、

It is not easy to prepare homogeneous subnanometer-

あらかじめ金属と強く相互作用する官能基を有する機
能性分子で修飾することで、図１のように金属（Au、Ni、Cu）を単原子状に分散し、3次元構造を決定した。
単原子状金属種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。

ターゲット研究部

原賢二（Kenji HAR A, Tokyo Univ. of Technology）

八木一三（Ichizo YAGI, Hokkaido Univ.）

sized clusters on oxides because they are easily
aggregated to form large clusters. We succeeded in
preparing an atomically dispersed metal species by
premodifying an oxide surface with functional molecules
before metal deposition (Fig. 1), which may enableprecise size control of subnanometer-sized clusters withunique catalytic properties.

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
https://pcat.cat.hokudai.ac.jp/pcat

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

ターゲット研究部

Izabela RZEZNICKA (Shibaura Institute of Technology)
Hynd REMITA（Paris-sud Univ., France）
Agata MARKOWSKA-SZCZUPAK（West Pomeranian Univ. of Technology, Poland）

Wojciech MACYK（Jagiellonian Univ., Poland)
Christophe COLBEAU-JUSTIN

Saulius JUODKAZIS(Swinburne Univ., Australia)
阿部竜（Ryu Abe, Kyoto Univ.）
Adriana ZALESKA-MEDYNSKA(Gdansk Univ., Poland)

Marcin JANCZAREK(Gdansk Univ. of Technology, Poland)

Sven RAU (Ulm Univ., Germany)(Paris-sud Univ., France)

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
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。ひとつは市販あるいは調製した多面体形状アナタース酸化チタンと金属ナノ粒子複合系プラズモン光触媒、もうひ
とつは、n型半導体である酸化チタンと酸化銀や酸化銅などのp型半導体のヘテロ接合型光触媒である。
これらの構造や特 性をTR MC ，PA S，RD B - PA S，
FDTD，XRD，XPS，STEM/EDSやDRSなどの手法により評価するとともに、（1）酢酸、2-プロパノール
あるいはフェノールの酸化分解、（2）メタノール脱水
素および（3）バクテリアやカビの不活性化について、
紫外または可視光照射下の光触媒活性を検討した。
さらに、プラズモン光触媒については、金と銀の2種
担持系光触媒の反応機構解明のため、作用スペクト
ル解析を行っている。

Fig. 1. Schematic mechanism of photocatalysis under
vis irradiation on faceted titania modified with Au NPs,i.e., octahedron (left) vs decahedron (right) [Appl. Catal.
B-Environ. 237 (2018) 574].
15

Our research focuses on development of plasmonic
photocatalysis, i.e., wide-bandgap semiconductors
modified with noble metals (NM), with ability ofworking at visible range of solar spectrum. Two kindsof photocatalysts have been obtained, i.e., plasmonic(containing NM NPs and titania (commercial samples
and self-synthesized faceted anatase particles)) andheterojunction (mainly TiO 2/Cu 2O and TiO 2/Ag 2O)
photocatalysts. The properties of obtained materials(TRMC, PAS, RDB-PAS, FDTD, XRD, XPS, STEM/
EDS and DRS) and the photocatalytic activity havebeen investigated for (1) oxidative decomposition oforganic compounds (acetic acid, 2-propanol, phenol),(2) methanol dehydrogenation, and (3) inactivationof microorganisms (bacteria and fungi (yeast andfilamentous)) under UV and/or vis irradiation and in thedark. Moreover, for the mechanism study, the action
spectra for mono- and bi-metallic (Au/Ag) plasmonic
photocatalysts during bacteria inactivation have been
performed.

Fig. 2. The inhibition of sporulation (left) and mycelium
growth (right) under fluorescent light on plasmonic
photocatalyst (Au/TiO2) in comparison to bare titania
and blank experiments (without titania) [Beilstein J.
Nanotechnol. 9 (2018) 829].

Department of Target Research

酸塩基触媒研究クラスター

展開型

Extensive
Research
SectionResearch Cluster for Acid-Base Catalysis
https://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）

一國伸之（Nobuyuki ICHIKUNI, Chiba Univ.）

本倉健（Ken MOTOKURA, Tokyo Institute of Technology）
加藤英樹（Hideki KATO, Tohoku Univ.）

神谷裕一（Yuichi KAMIYA, Hokkaido Univ.）

横井俊之 （Toshiyuki YOKOI, Tokyo Institute of Technology）
Emiel J.M. HENSEN（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

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

討されていなかった電子欠損金属サイトと電子過多

molecules (furans, organic acids, ketones, aldehydes,

な格子酸素の酸塩基性質を解明し、環境低負荷を志

olefin, etc.) by acid-base catalysis in the presence

向した水溶液内でのバルクケミカル原料合成に取り組む。主な検討内容は、多様な植物由来の炭水化物を中心とする化合物群（糖類、高級脂肪酸およびそのof water. In this project, acid and base functionalityof electron-deficient metal species and electron-richlattice oxygen sites, respectively, on metal oxides has
been studied for the carbohydrates conversion in the

エステルなど）からカルボン酸､ケトン、アルデヒド、オpresence of water. Precise control of basicity for oxide

レフィン類などを高収率で獲得する反応系の構築でcatalysts would enable selective production of various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。

ターゲット研究部

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

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 water16

■ ターゲット研究部

機能性合金触媒研究クラスター
Research Cluster for Functional Alloy Catalysts
https://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.）

ターゲット研究部

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

三輪寛子 （Hiroko ARIGA- MIWA, ICAT, Hokkaido Univ.）

小河脩平 （Shuhei OGO, JST）

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 現状である。優れた合 金 触 媒を開発するためには、各種金属の性質を把握したうえで合金の表面構造や電子

theory for catalyst design remain under debate andconstruction. To develop efficient alloy catalysts
and establish the corresponding chemistry, it isimportant to understand the surface structures and状態を原子レベルで理 解することが 重要である。本

electronic states of the alloys in an atomic level. For

研究クラスターでは、合金の触媒材料としての本質的

this purpose, we study the following themes from the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）「規則性合 金の特異的表面構造を利用しviewpoints of catalytic chemistry, metallurgy, surface
science, and theoretical chemistry:(1) Achieving stereo and regioselective molecular

た高難 度分子変換系の開拓」、（2）「表面修飾型金transformations using specific atomic arrangements

属間化合物の創成」、（3）「より高度な触媒設計を指of ordered alloys.

向した金属間化合物 ― 固溶体ハイブリッドアロイの調製と触媒反応への適用」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。

Fig. 1. Hydrogen-mediated stereoselective alkene
isomerization using specific surface atomic
arrangement of RhSb ordered alloys.
17

亀岡聡（Satoshi KAMEOKA, IMR AM , Tohoku Univ.）(2) Development of surface-modified intermetallics for
efficient molecular conversion.
(3) Synthesis and application of “intermetallic-sloid
solution hybrid alloys” for well-controllable catalyst
design.

Fig. 2. Regio- and chemoselective hydrogenation ofdiene to monoene governed by RhBi ordered alloy.
Combination of one-dimensional Rh arrays and sterichindrance of Bi inhibits adsorption of inner C=C moiety.

Department of Target Research

展開型
遷移金属誘起高分子合成 / 変換研究クラスター Extensive
Research Cluster of Transition-metals-induced Synthesis and Transformation of Polymer
http://polymer.cat.hokudai.ac.jp/

Research
Section

機能性ナノカーボン物質の新規な調製法として、制御構造を有する
高分子を前駆体として利用する有機化学的な新手法を開発する
Developing new synthetic methodologies of various polymers for the construction of novel carbon materials
Cluster Leader: 宋志毅（Zhiyi SONG）

李志平 （Zhiping LI, Renmin Univ. of China）

横澤勉（Tsutomu YOKOZAWA, Kanagawa Univ.）

本クラスターは主 鎖 共 役 型 高 分 子 の 合 成 研 究を

In this cluster, conjugated polymers were applied

基 軸として、グラフェン ナノリボン材 料を含 む 新 規

to develop new type of graphene nanoribbons

機能性ナノカーボン物質の開発を行う。グラフェン、materials. π-Conjugated polymers have been

フラーレン、カーボンナノチューブ 等 の 精 密 制 御 構

exclusively investigated due to the promising

造を有するナノカーボンは多岐に渡る産業分野に革

application potentials as electronic materials. In this

新的な影 響を与え得る物質である。これらの多くがwork, conjugated polymers were applied to construct

CCVD等に調製されるのに対し、本クラスターでは、

graphene nanoribbons. The topology, width and edge

ナノカーボン物質の新規な調製法として、制御構造を

periphery of the graphene nanoribbon products are

有する高分子を前駆体として利用する有機化学的な

defined by the structure of the precursor monomers.

新手法を開発する。さらに、新機能を有する物質を開On the other hand, the ribbon length can be controlled発する。

by living polymerization methods.

ターゲット研究部

Member: 小笠原正道（Masamichi OGASAWARA, Tokushima Univ.）18

附属触媒連携研究センター Cataly si s Collab orati v e R e se arch Cent er
触媒化学研究センター時代に創設されたコーポレートユニットは、触媒科学研究所への改組時に附属触媒連携研究センターとして拡大して再設置され、六つのユニットとして再スタートをきりました。たえず変化する社会的要請に対応するために、柔軟かつ戦略的に研究所外部との連携活動を行っています。

光触媒知的財産活用ユニット

Unit for Exploitation of Intellectual Properties Relating to Photocatalysis
Unit Leader: 黒田靖（Yasushi KURODA, Showa Denko Ceramics Co., Ltd.）
Member: 大谷文章（Bunsho OHTANI, ICAT, Hokkaido Univ.）

コワルスカ エバ（Ewa KOWALSKA , ICAT, Hokkaido Univ.）

高島舞（Mai TAKASHIMA, ICAT, Hokkaido Univ.）

産学官連携触媒研究ユニット

Unit for Industry-Government-Academia Collaborative Research on Catalysis
Unit Leader: 西田まゆみ（Mayumi NISHIDA, ICAT, Hokkaido Univ.）
Member: 福岡淳（Atsushi FUKUOKA, ICAT, Hokkaido Univ.）

清水研一（Ken-ichi SHIMIZU, ICAT, Hokkaido Univ.）
富永健一（Ken-ichi TOMINAGA, AIST）
佐藤一彦（Kazuhiko SATO, AIST）
隅田敏雄

浅川真澄（Masumi ASAKAWA, AIST）
田村具博（Tomohiro TAMURA, AIST）
永田賢二（Kenji NAGATA, NIMS）
田中譲（Yuzuru TANAKA, NIMS）
髙橋啓介（Keisuke TAKAHASHI, NIMS）（Toshio SUMIDA, WEST CORNER COMPANY, LIMITED）

附属触媒連携研究センター

フリッツ・ハーバー研究所ユニット
Unit of Fritz-Haber-Institute

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

Member: Hans-Joackim FREUND（Fritz-Haber-Institute, Germany） 朝倉清髙

Matthias SCHEFFLER（Fritz-Haber-Institute, Germany） （Kiyotaka ASAKURA, ICAT, Hokkaido Univ.）
三輪寛子 (Hiroko MIWA, ICAT, Hokkaido Univ.)

統合物質創製化学研究推進ユニット

Unit on Integrated Research Consortium on Chemical Sciences
Unit Leader: 中野環（Tamaki NAKANO, ICAT, Hokkaido Univ.）

Member: 朝倉清高（Kiyotaka ASAKURA, ICAT, Hokkaido Univ.）

長谷川淳也（Jun-ya HASEGAWA, ICAT, Hokkaido Univ.）
福岡淳（Atsushi FUKUOKA, ICAT, Hokkaido Univ.）
清水研一（Ken-ichi SHIMIZU, ICAT, Hokkaido Univ.）

大谷文章（Bunsho OHTANI, ICAT, Hokkaido Univ.）
高橋保（Tamotsu TAKAHASHI, ICAT, Hokkaido Univ.）
西田まゆみ（Mayumi NISHIDA, ICAT, Hokkaido Univ.）

電子トラップ研究コンソーシアム

Consortium for Research on Electron Traps in Materials
Unit Leader: 大谷文章（Bunsho OHTANI, ICAT, Hokkaido Univ.）

Member: コワルスカ エバ（Ewa KOWALSKA , ICAT, Hokkaido Univ.） 高島舞（Mai TAKASHIMA, ICAT, Hokkaido Univ.）

19

研 究 支 援 技 術 部 T ec hni c a l Di v i si on
次の時代へと繋いで行く技術

Technical Support in Response to Various Special Needs of Scientists
https://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 Ⅰ and Ⅱ 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・器具のResearch Equipment Management Team.
R e s e a r c h E q u i p m e n t D e v e l o p m e n t Te a m Ⅰ
manufactures glassware commonly used in chemical
experiments as well as special glassware that is notcommercially available, such as special spectrochemicalcells.
Research Equipment Development Team Ⅱ is incharge of metals, polymers/plastics, and ceramics
processing. For example, special home-made vacuum

開発・製作経験を活かした精度・実用度の高いガラス

components and electrochemical cells are manufactured

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、ネットワーク管理を行っている。

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.

研究支援技術部

第二研究機器開発班製作物

技術部講習会
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