Vol.
変幻自在な水素を「使いこなす」ためのサイエンス

9

2021

Hydrogenomics
N e w sL e t t e r

H0

H+
HCOV.
H-

CONTENTS
P1

A02 計画研究紹介

P3

A03-2 計画研究紹介

P5

A04 計画研究紹介

P7

A05-2 計画研究紹介

P9

第二期公募研究紹介

P13

若手サイエンティスト紹介

P14

P15

日本化学会 第101春季年会 コラボレーション企画 ／第7回若手育成スクール・全体会議 ／ 研究ハイライト
今後の予定A02 計画研究紹介

計画研究 A02「局在水素による
ヘテロ界面機能の強化」
東北大学～界面機能の強化による高強度鋼の創製～

教授

研究
分担

秋山 英二

も中間体は吸着水素で、取り込まれた吸あると考えられています。
また水素の分

収水素は、原子状と考えられます。

布に応力状態も影響を及ぼします。静水

さてこの金属中に取り込まれた水素は圧応力が高く、格子が開いたところで水

金属構造材料に水素が「水素脆化」
を

全ての元素の中で最も小さな元素であ

素はより安定に存在しますので、そこにもたらすと耳にしますが、金属中の水素り、室温でも金属の格子間を拡散するこ

拡散し集積します。例えば荷重をかけたの挙動について詳しく教えていただけとができます。金属組織中には、転位やボルトの場合、そのねじ底から少し奥にますか。

粒界、空孔、空孔クラスターなどさまざま入った部分での応力が高く、加えて水素

まず水素脆化ですが、ボルトやワイヤな格子欠陥や種々の炭化物など析出物が集積する効果もあり、き裂が発生し破など応力のかけられた金属構造材料中が混在していますが、これらと水素との壊起点となります。水素脆化の機構に関に環境から侵入した水素が脆性的な破結合は格子中よりも強く、水素をトラップ

しては、格子脆化理論、吸着水素誘起転

壊を引き起こす現象です。高強度鋼の水します。
これらの水素と結合するサイト位放出理論、水素助長局所塑性変形理

素脆化に対する感受性は、強度が増すほは、水素トラップサイトと呼ばれます。金論、あるいは水素助長塑性誘起空孔理

ど高くなる傾向が見られますので、さまざ属中に取り込まれた水素は、種々の水素論など諸説ありますが、水素がどのよう

まな金属材料の高強度化が進められる

トラップサイトと水 素との結 合エネルに拡散し何処に集まっているかを可視化中で解決すべき問題です。
また水素エネ

ギーや、サイトの密度に応じて金属組織することは水素脆化の理解に大きく貢献

ルギー利用が進められる中で、蓄圧容器内に分配されます。結合や水素量を求めするものと考えます。

や配管等の安全の確保のためにも信頼るためには、我々は昇温脱離分析を用い性の確保は重要です。例えばボルトなどた解析をしています。

水素の存在状態を知る方法として、の構造材料の例では、水素が実使用環

水素がこのような金属組織内を拡散

Ir錯体を用いた新規な水素可視化法を境中で取り込まれる原因は腐食です。金する場合には、種々の水素トラップサイト

開発されましたね。肉眼でも水素の位属が酸化される際に失われる電子は酸への吸着・脱離を繰り返しながら移動す

置情報を得られるのでしょうか。

素の還元や水素発生反応に消費されまることになりますが、比較的浅い水素ト

ハイドロジェノミクスのA04の藤田先生

す。水素発生反応の中間体である吸着水

ラップに結合した水素は室温でも移動がの作られたIr錯体は、元々は脱水素反応

素は再結合すると水素ガスとなります

水素ガスと容易に反応し可能で、拡散性水素と呼ばれます。一方、 用の触媒ですが、が、吸着水素の一部が金属中に取り込ま

例えば鋼の熱処理の際に取り込まれ、深てヒドリド錯体となり色が変化します。
つれます。水素ガス中でも金属表面で解離い水素トラップに結合している水素は非まり肉眼で水素と反応したことが確認で吸着した吸着水素を経由して水素が金

拡散性水素と呼ばれます。水素脆化を引き金属表面上にこのIr錯体を堆積させる

属中に取り込まれます。
いずれの場合でき起こす元である水素は、拡散性水素でことにより、金属内部から拡散してきた水1

素の位置情報を得ることが可能です。
これ

A03-2の樋口先生、A03-1の森本先生、までに水素マイクロプリント法、銀デコ

A04の 信先生等のグループとの連携をレーション法、
トリチウムオートラジオグラ

通して、手法の改善や、さらに新奇な手

秋山先生の研究環境、研究室についてお話しいただけますか。
研究室は部門教授として秋山が物質・

フィーや二次イオン質量分析法（SIMS） 法の開発も目指しています。

材料研究機構から移って着任したのがなど様々な水素可視化法が使われていま

また、水素脆化を考える際に、材料中

2016年の4月で、その後、教員としては北す。
しかし、ほとんどの方法は観察に走査の応力分布などは重要な要素となりま條助教が岩手大学から、小山准教授が九電子顕微鏡（SEM）
あるいは特殊な装置

すが、応力分布については計算的な方法

州大学から、
またそれまでポスドクであっを用いるものでした。
また多くの方法ではの他、A01の齋藤先生のグループとの連た味戸さんが最近助教となりました。金

水素透過の経時変化を観察することが困携により放射光によるX 線回折を用いた属の材料科学を基盤とするそれぞれの専難でした。Ir錯体を用いた水素可視化の測定も行っています。
さらに、数 GPaで門性を有する研究者が集まっています。

位置分解能はSEMやSIMSを用した方法

水素化した鉄の圧力を減少させる過程

研究室立ち上げの頃と比べて人員も増えには及ばず、現状サブミリメートルスケー

での変態挙動に関してA01の齋藤先生、 て、
現在、上の4人の職員に加えて、
ポスド

ルですが、水素を肉眼によって捉えること

折茂先生グループとの連携もあります。 ク1人、客員教授2人、
秘書1人、
博士後期

が可能で、
かつ経時変化の観察も可能と

放射光のような大掛かりな設備を連携

課程 6 人、博士前期課程 6 人、研究生 2いう利点があります。水素透過量の定量の中で活用できるというのは大変有り難人、学部4年生2人という構成になってい評価は、現在の実験では、市販のデジタルいことです。

ます。
うち外国人は客員教授1人、学生7カメラで撮影した画像のRGB値や明度を我々が水素脆化の研究に用いてきた人です。
また女性は助教1人、客員教授1

指標として評価を行なっており、特殊な装手法が馴染みのない分野で役に立つと人、秘書 1 人、博士後期課程 1 人です。
も置を必要とせず簡便であるという利点がいうケースもあります。前述のように水素

うそろそろ3年生の配属が決まり、定員通あり、応用の幅も広いと考えます。

の定量やトラップ状態を見るために昇温りであれば2名加わることになります。

光学顕微鏡を用いると、さらに分解能脱離分析を用いていますが、
これはA02

物質・材料研究機構、岩手大学、九州の高い水素のマッピングが可能となりますの宇佐美先生のグループで開発している大学からそれぞれが移設した装置に競争ので、顕微観察が可能となるような微視太陽電池の中の水素の分析に活用して的資金で導入した装置を加えて、鍋釜以的に均一なIr錯体層の形成手法についていただきました。公募研究で参加されて上にだいぶん設備も整ってきました。居

も検討を行なっています。
Ir錯体を用いたいる大山先生の研究にも電気化学的な室や実験室のエアコンなどもようやく一

水素可視化は、一方で大面積での水素可水素チャージ方法が役立ちそうです。技通り設置しました。

視化も可能です。Ir錯体層と下地金属と術を提供するだけでなく、これらをきっか

研究課題としては、主なところは高強の間には、水素の再結合反応促進のためけに研究内容の一端でも勉強させてい度鋼の水素脆化に関するもので、ハイド

Pdめっきを施しています。このため、Pd

ただきますと、我々の視野も広がってさら

ロジェノミクスでの連携研究の藤田先生

めっきが可能な範囲であればという条件に何か新しい研究の芽が見つかるのでとのIr錯体を用いた水素可視化や齋藤先はありますが、実部品、極端にはラインパはないかと期待します。現状の連携や、 生との水素脆化試験用の試験片内の応

イプのような大型の部材の大面積への適今後これも試してみたいという候補など

力分布の放射光を用いた測定などはこの用も可能で、
目視・撮影によるオンサイトで

色々ありながらなかなか手を出しきれて水素脆化課題の中に含まれます。一方、の水素検出が可能であると考えています。

いないものもありますが、今後さらに進め

福島第一子力発電所の廃炉に関連して、たいと思っています。

放射線照射環境での金属材料の腐食に多くの計画研究と連携して研究をされていますね。
手応えはいかがですか。

総じて、手応えとしては、意外なところ

関する課題などにも取り組んでいます。

にネタがあり、思いがけない研究の発展

Ir錯体を用いた水素可視化は、ハイド性があり、面白いなと感じております。
こロジェノミクスが繋いだ異なる分野の出のような自由度の高い連携の場を設けて会いによって成功した例と思います。水

いただいた折茂先生はじめとする先生方

素可視化については、A02の一杉先生、 に感謝いたします。

2

A03-2 計画研究紹介

計画研究 A03-2「高速・局所移動水素と電子とのカップリングによる新発想デバイスの設計」
兵庫県立大学大学院理学研究科

教授

兵庫県立大学大学院理学研究科

助教

研究
分担

樋口 芳樹
西川 幸志

の触媒作用をもつ酵素と複合体を作り、 のも現れました。

～タンパク質内高効率プロトン
移動機構の解明～

より効率的な酵素に進化したヒドロゲ

ヒドロゲナーゼの細胞内での役割としてナーゼもあります。
太古の昔では、
最終電

は、
上記以外に細胞膜内外のプロトン濃度

生物は細胞の中でヒドロゲナーゼを子受容体は酸素ではなく、硫酸塩や硝酸

勾配の制御があると考えられています。
高

。
塩でした
（硫酸呼吸/硝酸呼吸）

等生物は、ミトコンドリアの膜内外のプロト使って水素をどのように利用しているのでしょうか？

ヒドロゲナーゼは今でも主に嫌気的なン濃度勾配を利用して、細胞内エネルギー

はじめにヒドロゲナーゼ研究初期の歴環境を好む微生物に多く見られます。
この

の通貨
（ATP）
を合成します。
ヒドロゲナー

史を簡単に紹介しておきます。
ヒドロゲ

ような微生物は、地球表層の酸素濃度がゼもプロトン濃度勾配によるATP合成に関

ナーゼという酵素の存在を報告したのは、 上がるにつれて地中や海中の酸素濃度の与していると考えられています。

Marjory Stephensonという英国ケンブ

低い環境で生育するようになりました。
地

リッジ 大 学の女 性の生 化 学 者でした

球表層で酸素濃度が上がった結果、生命

生体系ヒドロゲナーゼを用いた、核ス（1931年）。彼女は、王立協会フェローに活動が多様化し、今日では硫酸呼吸などよピン異性体比その場計測による反応解析選ばれた最初の2名の女性研究者のうちりも効率の良い酸素呼吸が標準となりまし法の確立について、詳しく教えてください。

の1人です。
彼女等は川底の泥の微生物をた。
そして、それらの生物の代謝による化合

ヒドロゲナーゼの触媒反応は、
１）
酵素

水素依存的に嫌気培養することで、硫酸イ物や死骸が蓄積し、水素よりももっと効率

分子内のガスチャネルにおける気体の拡オンが硫化水素に還元される等の現象をの良いエネルギー源
（栄養素）
が得られる

散、
２）
水素結合ネットワークを介したプロ

定量的に調べ、
その反応を触媒している酵

ようにもなりました。
嫌気性微生物においトンの輸送、
３）
鉄硫黄クラスターを介した素を「ヒドロゲナーゼ」と命名しました。

ても水素以外の物質からエネルギーを得

電子の伝播の３つの「ステップ」から成りま

ヒドロゲナーゼをエネルギー代謝酵素

た場合には、過剰となったエネルギー（還元

す。
触媒反応機構を解明するためには、ことして利用する微生物は、地球上の酸素力＝電子）をヒドロゲナーゼによって水素

れらを総合的に解析する必要があります。

が希薄であった太古の昔に出現していま分子として大気中に放出するようになりま

ヒドロゲナーゼは、水素の分解・合成反応

した。
これらの微生物は水素を取り込んでした（ヒドロゲナーゼによる水素合成）
。
一

パ
に加えて、
水素/重水素同位体交換反応、ヒドロゲナーゼで分解し、その還元力と水方、
ヒドロゲナーゼを持つ嫌気性微生物のラ/オルト核スピン異性体変換反応を触媒

素原子で生命活動に必要な新規の化合中にも酸素濃度の高い環境にも順応した

することが知られています。
同位体交換反物を合成し、
また、
特定の化合物をエネル

ものが出現してきました。
それらは火山周

応では、電子の授受は行われず、また核ス

ギーの高い還元型に変換していたと思わ

辺の沼地や海面付近の低濃度の水素と二ピン異性体変換反応においては、ガスの拡れます（ヒドロゲナーゼによる水素分

酸化炭素などを栄養源とし、また最終電子散のみが影響すると考えられます。
これら解）。上記反応を効率よく進めるために他受容体としては酸素を利用して生育するもの３つの触媒反応では、前述の3つの
「ス

3

テップ」
の組み合わせが異なることから、各 （N2やCH4など）を基質とする酵素の触媒
触媒反応を比較することで、触媒反応機構活性定量へ応用することも考えています。

解明のための知見が得られると期待されま最後に研究室の紹介をしていただけますか。
私達の研究室は、大型放射光施設・す。
従来の方法では、これら同位体交換・ス

樋口先生はハイドロジェノミクスメン

SPring-8から徒歩で30分程度の位置にピン異性体変換を同時に観測することがバーのなかで、「生物学」からの参画です

あり、
X線結晶解析を主たる研究手法とすできず、
ガスクロマトグラフィーや質量分析ね。生物学-物理学-化学-材料学等の連る我々構造生物学者にとっては地の利がなどを組み合わせたものでした。
また、反応

携による、水素の新たな物性・機能の研あると言えます。
また、キャンパスには全自セルから気体を採取するため、測定点数を究について教えてください。

動の大型培養システムが設置されており、増やすことや連続測定が不可能でした。
ラ

私は「生物学からの参画」と言うよりは、 研究対象としている特殊な微生物由来の

マン散乱法では、レーザーを反応系の気相

物理化学的な研究手法で「生物試料を研

ヒドロゲナーゼを大量に調製することが部分に照射し気体からの散乱光を観測し究している者からの参画」と言うべきなのできる等、本研究を展開するための設備て気体の情報を得ます。
ひとつのスペクトルですが、生物による水素利用の原理やしくはほぼ完璧に揃っています。
当研究室にから水素の同位体および核スピン異性体

みを解明するには、
ヒドロゲナーゼの触媒

は、
現在、
専任教員
（教授、
准教授、
助教）
3

の情報が得られ、また、気相中の基質を採活性部位のみを調べても研究の視野が狭名、博士研究員1名、技術員2名、事務補

取することなく連続測定することでそれらくなってしまいます。活性部位は NiFe

佐員1名と4年生が6名在籍しています。
私の増減の精密観察が可能です。

（CN）
2CO-Cys4という奇妙な金属錯体でが来年3月で定年退職するため、今年から本測定装置を用いて、硫酸還元菌由来

した。
その構造をまねて合成された化合物

大学院生はいないのですが、これまでは常のヒドロゲナーゼによる同位体交換反応をは、酵素と同様の性質を示しましたが、触時10名ほどの大学院生が在籍していまし

測定しました。
反応セルにヒドロゲナーゼ

媒活性全体として評価すると酵素よりもた。
これまで、教員が諦めかけていたのにのH2O溶液とD2を封入し連続測定したとこ

ずっと劣っています。
ヒドロゲナーゼは、
細大学院生が諦めずに続けた結果、大きなろ、D2は指数関数的に減少し、HDは途中

胞内システム内に限った話ですが、水素の成果として成就した研究がありました。

まで増加しその後減少に転じ、H2は時間経分解合成反応、電子伝達、
プロトン輸送、 「諦めずに続けてそして見逃さないこと」の過に伴って増加している様子を、
反応開始

水素の運搬の全てが同期して、かつ、効率重要性を学生に教えてもらいました。毎から終了まで詳細に観測することができま

よく触媒反応が進むように設計された、
い年、4月には歓迎BBQ大会を、秋には近畿した。
酵素濃度依存性を調べた実験では、 わばミクロの世界の「精密工場」です。
従っ

地区の結晶学研究室対抗のソフトボール

いずれの酵素濃度においても同形状の時て、活性部位だけを研究するのではなく、 大会を、12月にホテルで泊まり込みの中

間変化プロファイルが観測されました。
この

生物学、物理学・化学（分析化学・合成化間報告会をして自分達の手料理で懇親会ことから、H2が生成されるには、分子内で学・電気化学・理論化学）の様々な視点かをするようなイベントをいくつかやってい

D2→ HD → H2の2段階の反応が起こってら分子全体をシステムとして観察する必要ました。
しかし、新型コロナ感染症拡大のいることがわかりました。
本装置では、
セルがあります。
まさに、このハイドロジェノミ

ため昨年から楽しいイベントを一切開催

内の酵素に直接高輝度の励起光を照射しクスでこそ、
その連携が可能です。
実際、
核

できていません。
私が退職するまでに元のないため、酵素は変性・失活を免れます。
こ

スピン異性体比その場計測による反応解状態に戻るのは難しそうです。

れまでに本装置を用いて、ヒドロゲナーゼ析法の確立は、
A05-1の福谷先生と連携を対象に水素/重水素同位体交換反応をすることで大きく進展しようとしています。

追跡し、今まで知られていなかった酵素反水素の性質とその効果的利用法は生体触応機構が見えてきています。
今後はHとDを媒のヒドロゲナーゼが知っており、それを取り換えた反応系や、パラH2やオルトD2を最大限に利用しています。
それを解き明か基質とする反応系で同位体交換反応や核して行けば、生物の研究から、新たに物理

スピン異性体変換反応についての詳細を学・化学の分野に水素の利用方法などに調べ、本酵素の触媒反応機構を明らかにしついての新しい研究課題を提供することていく予定です。
また、難溶性の気体分子も可能なのではないかと思っています。

研究室の集合写真：
昨年 6月に撮影した集合写真で、学生は大学院生が5名（博士後期1名、前期4名）と学部生6名の11名が在籍していました。

4

A04 計画研究紹介

計画研究 A04「高活性水素の精密制御による新規反応プロセスの創出」
理化学研究所

専任研究員

研究
分担

島 隆則

～ヒドリドクラスターによる新規反応の開発～のように、鉄触媒存在下、N2と電子源・プがない状態にして、ようやくチタンヒドリドク

ロトン源となるH2の混合ガスに高いエネラスターの合成に成功しました（図1中央）。

ルギーをかける必要があったり、あるいはこのヒドリドクラスターは、
N2と常温・常ヒドリドクラスターを用いた小分子の分子触媒と特殊な還元試薬やプロトン源

圧で反応し、
特殊な試薬の添加なしで、切活性化と変換反応について研究をされを使ってN 2を活性化する必要がありま

断・部分的な水素化を達成しました（図1ていますね。窒素分子の活性化と変換す。一方で、
ヒドリドクラスターを用いれ左）。反応メカニズムの詳細を調べたとこ

反応について教えてください。

ば、
ヒドリド自身が電子源、プロトン源としろ、
この反応が、
複数のチタンとヒドリドによ

水素と遷移金属が結合した遷移金属て作用することで、特殊な還元剤やプロトる「巧妙な連携プレー」
によるものであるこ

ヒドリド種を、分子内に複数含むヒドリド

ン源を必要とせず、温和な条件でN2を切とがわかりました。
すなわち、ヒドリドの電子クラスターを使って、温和な条件で安定

断・水素化できると期待されます。

を用いてN2が切断され、
さらに、
ヒドリドが

な小分子を化学的に有用な物質へ変換

実は、
このようなヒドリドクラスターに対複数のチタンに電子を受け渡し、自らはプすることに興味を持っています。遷移金する「思い」
は学生時から持っていて、一貫ロトンとして窒素を水素化していることが明属に結合した水素は、
その遷移金属の電してヒドリドクラスターの研究に取り組んでらかになりました。
分子レベルでここまで明きましたが、
これまでN2と反応するようなもらかにした例はなく、不均一系のハーバー・ド（H ）まで多彩な電子状態をとっていまのには出会えませんでした。
しかし、
4族遷

ボッシュ法の反応機構解明にも知見を与えす。
このため、様々な基質に対して高い反移金属のヒドリドクラスターの合成研究をる成果ではないかと思います。
また、
ハー

応性をもつことが知られています。

進めているとき、チタンを使って作ろうと窒

バー・ボッシュ法はアンモニア合成に特化し例えば、窒素分子（N2）からアンモニア

素雰囲気下のグローブボックスで反応をたプロセスですが、
本ヒドリドクラスターを（NH3）への変換反応には、結合を切断す行ったところ、
偶然にもN2が取り込まれた

用いれば、窒素分子から工業的に重要なニるための電子と、水素化のためのプロトンものができてきました。
そこで、
どうやって

トリルの直接合成も可能であり、様々な窒が必要になります。
現状では、
工業的アン

N2が活性化されたのか、詳しく調べるため、 素を含む有機化合物への変換反応の開発

モニア合成法であるハーバー・ボッシュ法

グローブボックスをアルゴンで満たして、N2+子状態によってプロトン（ H ）からヒドリ-

図1 チタンヒドリドクラスターによる窒素分子、ベンゼンの活性化

5につながっていくものと思われます。
このあ

図2 グローブボックスで作業するZhuo研究員とたりは、本領域における「水素―電子カップ

ス解明に知見を与え、また新しい触媒デザ変換を実現する新しい反応場の構築に取リングによる多様な物質変換に関する研インの一助ともなり得ます。

り組んでいきたいと思っています。

究」にも関連しますし、研究室で一緒に研究している若手サイエンティストのQingde

新規水素クラスターの創製も期待して（図2）とともに今後最も注力しZhuo研究員

おります。新たに取り組んでいる研究がていきたい研究テーマの1つです。

あれば少しだけご紹介いただけますか。

これまで進めてきた研究の結果から、ヒド

多様な反応性を有するチタンヒドリドクラ

リドクラスターが、高難度の物質変換反応

バイオマスなど天然資源の中に豊富

最後に、島先生の短期的、長期的研究
目標を教えてください。

スターですが、問題点もあります。
例えば、 の鍵になってくるのは間違いないと思いまに存在する、芳香族化合物についてはい

N2との反応で得られるチタン-窒素結合がす。
同種、異種金属など様々な遷移金属とかがでしょうか。

非常に強く、
この結合を切って触媒的に回す

適切な支持配位子を組み合わせた多彩な石油やバイオマスなどの天然資源の中ときのネックになっています。
そこで1つのア

ヒドリドクラスターの合成が大事になってくには、ベンゼン環を含んだ芳香族化合物がプローチとして、チタン以外の金属や、支持ると思います。
また、
これまでの有機合成で豊富に存在します。
これら芳香族化合物の配位子などを変え、いろいろチューニングしは、
ハーバー・ボッシュ法で得られたアンモ

炭素-炭素結合の切断反応は、天然資源て反応活性を検討していく必要があります。

ニアを原料にして、多くの含窒素有機化合からガソリンや基礎化学品として有用な化

最近、6族遷移金属のクロムヒドリドクラス物が合成されています。
この手法を一変し、合物を生成するために重要な反応です。
しターがN2を常温・常圧で切断・水素化するこN2を使って様々な有機化合物の合成に組

かし、
ベンゼン環は非常に安定で、その炭とを明らかにしました。
本反応においても、ヒ

み込めたら、
革新的な合成プロセスになり

素-炭素結合を切断するためには、多くのドリドが電子源・プロトン源としてN2を切断・ます。
特に、ヒドリドクラスターは様々な炭化エネルギーを消費します。
これまでいくつ

水素化していることを実験的・理論計算的に水素類などの有機基質との反応が知られてかの構造明確な分子錯体を用いて、選択明らかにしました。
一連の反応プロセスは、 おり、
N2の活性化と組み合わせることで、温的な炭素-炭素結合切断反応が報告されチタンヒドリドクラスターと非常に類似して和な条件で含窒素有機化合物の合成に応ていますが、
ベンゼン環の炭素-炭素結合いますが、チタン-窒素結合よりも、クロム-用できるのではないかと期待しています。

切断反応は報告されていませんでした。

窒素結合が水素に対して高い反応性を示す

将来的には、
ヒドリドクラスターを用いた

先ほど述べましたチタンヒドリドクラス

ことから、水素化による窒素成分の脱離、す

触媒的な常温・常圧アンモニア合成、含窒

ターが、最も安定なN2を切断・水素化でき

なわちアンモニアの生成とヒドリド種の再生

素有機化合物合成が達成できたら素晴らることから、
これを用いたベンゼンの活性化による触媒化が本系では期待できます。

しいと思います。
そのために、生成物であると変換反応にも挑戦しました。
その結果、
室

もう1つ、
本領域の先生方との連携研究

アンモニアや含窒素有機化合物を系内から温下でベンゼンの炭素-炭素結合切断と六によるアプローチも魅力的です。例えば、 速やかに出さなければなりません。
フラスコ員環の骨格変換反応が起こることがわかり

A04 信先生らの水素透過金属膜とヒドの中で反応を行うのでなく、固体触媒を用ました（図1右）。
本反応では、
ベンゼン分子リドクラスターを組み合わせれば、連続的

いて流通系の反応プロセスなど、新たな手が部分的に水素化され、六員環から五員環に高活性水素をクラスターに供給できる可法を使う必要があるかもしれません。
これら

へと環骨格が変化しています。
同様にして、 能性があります。
現在、不安定錯体を測定に対応すべく、研究室では、
N2やアルゴンで同じ芳香族であるピリジンとの反応では、温するための環境整備や、安定な分子クラス

満たした複数のグローブボックス、
NMR、X

和な条件下で2か所のC-N結合切断反応にターを用いての結合解析など、本格実験に線構造解析等の分析装置、認定済みの高よるピリジン環の開裂と、脱窒素化が起きま向けて準備が整いつつあります。
また、
A04

圧水素設備やフローリアクターなどそろえした。
分離した炭素骨格は環状のシクロペ

藤田先生らのイリジウム触媒によりヘテロています。
先ほどご紹介したZhuo研究員をンタジエンとして回収することもできます。

リティックに開裂した高活性水素を使った始め、優秀な博士研究員らが関連研究に一

これらの結果は、構造明確なヒドリドクラ

クラスターの水素化も期待できます。
本領

生懸命取り組んでいます。
本領域の先生方

スターによるはじめての芳香族化合物の安域には、魅力ある水素研究を進めている先との連携研究のような新たなアプローチも定結合切断と骨格変換反応であり、工業生方がたくさんいらっしゃいますので、一緒含めて、これらの中から新しい芽が出てくる的なクラッキング反応や脱窒反応のプロセに連携して、温和な条件で高難度の物質

よう、日々努力していきたいと思います。

6

A05-2 計画研究紹介

計画研究 A05-2「水素の先端計算による水素機能の高精度予測」
大阪大学

准教授

研究
分担

濱田 幾太郎らに最近ではESM法とRISMと呼ばれるとした第一原理計算手法による反応ダイ

溶液理論を融合した、ESM-RISM法のナミクスの研究を進めています。
これまで導入を進めています。
ESM-RISM法の導は不均一触媒反応に関連する分子の吸濱田先生は、計算手法・プログラム開入により溶媒効果・電極電位の効果をよ

着と反応を中心に研究を進めています。

発の専門家でいらっしゃいますが、ハイり精密に考慮した電気化学環境における分子の表面吸着においてはファンデル

ドロジェノミクスでは、具体的にどのよ

電極界面のシミュレーションが可能にな

ワールス力が重要であると考えられていうな基盤構築に取り組んでいらっしゃるると考えています。
STATEコードはまだ完

ますが、DFTにおいて電子間の多体相互のですか。

全にはオープンソース化はされていません

作用を記述する交換相関汎関数についに基づく
私は密度汎関数理論（DFT）

が、
年に2回
（9月、
2月/3月）に大阪大学でて一般的に用いられている局所密度近電子状態計算コード、
いわゆる第一原理

実 施 してい る C M D ワ ー クショップ

似（ LDA ）、一般化勾配近似（ GGA ）は計算コードの開発を行い、それを様々な （https://cmdworkshop.sakura.ne.j

ファンデルワールス力を精度良く記述で～第一原理計算と反応ダイナミクス～

p/index.html）でコードの利用方法の指 きないことが知られています。私はファンとした。特に私は大阪大学の森川良忠教授 導とコードの配布を行っています。CMD デルワールス密度汎関数（ vdW-DF ）が中心となって開発を進めているSTATE ワークショップではSTATEだけではなく、 呼 ば れ る 汎 関 数 に 着 目 し 、新 し い（https://state-doc.readthedocs.io/） 大阪大学を中心として開発されている多 vdW-DF汎関数の形（rev-vdW-DF2）というプログラムに深く関わっています。 くのコードの使い方を開発者から直接学 を提案しました。rev-vdW-DF2は小分
STATEは平面波基底と擬ポテンシャル法 ぶことができます。最近ではマテリアルズ 子、無機・有機固体、層状物質、さらには
原 金属表面上における分子吸着のエネルを用いたDFTコードで、表面・界面を中心 インフォマティックスコースも追加され、分子・物質、
それらの界面に適用してきまとして様々な系の研究に用いられてきてい子論的シミュレーションにとどまらない幅

ギーと構造の高精度な記述が可能であます。またこれまで多くのスーパーコン

広い計算コードの使い方を学ぶことが可

ることが 分かっています。これまでにピュータを用いたプロジェクトに参加し、 能です。第一原理計算コードを使用した

rev-vdW-DF2を様々な 表 面 分 子 吸

最近では
「富岳」
上での最適化が進められことが無い方でもビギナーコースに参加し着系へ適用し、可能であればより厳密ており、大規模DFT計算のための開発がてUnix/Linuxの使い方から学ぶことがでな DFT を超える高 精 度 計 算を用いた

継続的に行われてきています。STATEにきます。
CMDワークショップは一週間（月計 算 を行 い 、その 精 度 検 証も進 めては有効遮蔽媒質（ESM）法と呼ばれる方

曜日-金曜日）開催され、全日程の参加がいます。さらに分子の吸着状態だけで法が実装されており、
スラブモデルを用い必須ですが、
どなたでも無料で参加するこはなく表面反応のシミュレーションにた表面・界面の高精度な計算が可能でとができます。
コロナ禍の現在は難しいで

rev-vdW-DF2を適用し、活性化障壁のあす。ESM法を用いることで帯電スラブ、すが、CMDワークショップには大学だけ評価と反応速度論の議論も行い、汎関

るいは電場印加下におけるスラブの計算

でなく企業からの参加者も多く、異分野交数のさらなる精度検証を進め、vdW-DFが可能であり、電気化学界面における化流の場ともなっています。

を基盤とした触媒反応シミュレーション

学反応の研究にも用いられてきました。
さ7

ハイドロジェノミクスではDFTを中心の基盤構築を進めています。

従来より高精度な計算手法の開発とションを実行したところ、ギ酸凝集体におづく第一原理格子振動計算プログラム

水素系に関する応用に関して、現在進め

ける活性点は凝集体の中心部分ではなくの開発を行い、博士号を取得しました。

ている研究をご紹介いただけますか。

端であることが明らかになりました。
また

学生の頃は現在計画研究 A01・協力研

ハイドロジェノミクスで進めている研究

ギ酸単分子の結果と比較すると凝集体の究者である清水克哉先生が行われていの一つとしては計画研究A04・ 信淳先端からの脱水素化反応の活性化障壁がる圧力誘起超伝導に興味を持ち理論的生と行っている銅（111）表面上における実験とより良い一致を示すことから、
ギ酸な研究を始めました。
しかし私が学生のギ酸の構造、分子振動、脱水素化反応にの脱水素化を考える上で凝集相を考える

当時、現在のようにオープンソースの第関する研究があります。
近年の環境・エネ

ことが重要であることも分かりました。
さら

一原理計算プログラムはありませんでしルギー問題解決に向けて、温室効果ガスにギ酸分子を表面上で加熱すると脱水素たから、DFTやDFPTプログラムを自分の一つである二酸化炭素を、より付加価化が起き、加熱する温度に応じた非常にで書き、動かせるようにしなければなりま

値の高いメタノールに変換するための触複雑なギ酸・フォルメート複合体やフォルせんでした。残念ながら超伝導転移温度

媒の研究が盛んに行われています。
ギ酸

メート凝集体などのナノ構造が発現するの計算までは行えませんでしたがDFTやはメタノール合成における重要な反応中ことが実験より明らかになりました。
これ

DFPTプログラムについて多くのことを学

間体の一つであり、その吸着と反応の詳らのナノ構造についても膨大なDFT計算

ぶことができました。その後大阪大学産

細な理解が重要であると考えられます。
まを実施し、構造を明らかにすることができ

業 科 学 研 究 所に特 任 助 教（ 吉田博 先

たギ酸は常温で安定な液体として存在し、 ました。
表面で観測される構造は、常に大生）、後にCREST 研究員（森川良忠先

燃料電池において、高圧水素に代わる安域的に最も安定な構造であるとは限りま生）
として着任し、燃料電池に関係する

全な水素キャリアの一つとしても有望視

せん。
構造や反応の理解には実験とシミュ

電気化学反応のシミュレーションに従事されています。
またギ酸は銅表面上で選択

レーションの協働が不可欠です。
いつもうしました。表面・界面の第一原理シミュ的に脱水素化され、水素と二酸化炭素にまくいくわけではありませんが、
実験・理論

レーションを開始したのがこの頃です。
そ変換されることもあり、燃料電池触媒の一の密接な共同研究による新しい問題の発の後東北大学に助教として着任し（塚田

つとして銅が有望視されています。
より効見とその解決、といった過程を経ながら、 捷先生）、DFTの枠内でファンデルワール

率の良い反応と触媒を開発するために、
ギ

非常に複雑な触媒反応のある一側面のよス力を記述できるファンデルワールス密酸の触媒反応素過程と銅触媒の役割をり深い理解が進んでいると感じています。

度汎関数（ vdW-DF ）とそのプログラム

詳細に理解することが重要となります。
そのような背景のもとギ酸分子の吸着や反応の研究が進められています。
ギ酸は銀や
銅などの
（111）表面上において単分子での開発を開始し、それらの応用計算を数異分野との連携研究についてお話しいただけますか。
私の行っている異分野連携は物理と化多く行いました。物 質・材 料 研 究 機 構（ NIMS ）にMANA 研究者 / 主任研究者として異動してからは高精度vdW-DF汎

はなく凝集体として存在することが知られ学の連携、ということになると思います。 関数の開発、さらに蓄電池に関連する電ています。
しかしながらギ酸凝集体の構造

A01・近藤剛弘先生とはホウ化水素ナノ

解液の第一原理分子動力学シミュレー

については論争があり、その詳細は明らか

シートと分子の相互作用と反応に関するションも行いました。
さらにNIMS在職中になっていませんでした。
また過去の理論

テーマについて、
またA03・中村将志先生にシカゴ大学（Giulia Galli先生）に長期的研究では分子の吸着において重要な、 とは白金表面上での水の構造に関する

滞在し、大規模高精度電子状態計算プ

ファンデルワールス力は考慮されていませ

テーマについて共同研究を行っています。 ログラムWestの開発にも参加しました。

んでした。我々は高精度なvdW-DFを用また上で述べた銅表面上のギ酸以外にも

大阪大学に異動後は森川良忠先生と協いた理論研究を実施し、ギ酸分子の銅

様々な分子吸着に関する共同研究を吉信

力し、不均一触媒に関する分子吸着に加（111）表面においてファンデルワールス力

淳先生と行っています。
ハイドロジェノミ

え、化学反応のシミュレーションを進めてが本質的に重要であることを明らかにし

クスを通じてこれまで経験したことの無い

います。

ました。
さらにvdW-DFによる理論計算と新しい系の計算ができることをこれからも高分解能走査型トンネル顕微鏡・原子間楽しみにしています。

力顕微鏡による実験を組み合わせ、
ギ酸
分子凝集体の構造を提案することに成功しました。本研究で提案した凝集相の構

濱田先生ご自身の研究経歴について聞かせてください。

造を用いることで、実験により観測された

私は大阪大学基礎工学研究科・鈴木

分子振動を説明することも可能になりま

直先生、金沢大学・小田竜樹先生の指導した。
またギ酸の脱水素化のシミュレーに基のもと、密度汎関数摂動論（DFPT）

8

第二期公募研究紹介
B01

筑波大学［ 表面科学・2次元物質 ］

近藤 剛弘

ホウ化水素シートを基軸とした新規ナノコンポジット材料を調製し、新しい高密度水素貯蔵材料群を創出します。
ホウ化水素シートはホウ素と水素のみで形成されているため水素含有量が8.5wt%と大きく、水素貯蔵材料としての活用が期待できますが、水素放出が150～1200℃という広範な温度領域で起こるために簡便に水素を大量放出できないという課
題がありました。第一期公募研究により、炭素を電子ドーパントとして導入すると、水素とホウ素の反結合性軌道への電子注入を介して水素放出温度の低温・狭範化が実現することが示されました。一方、炭素ドープの効果は限定的であることもわかり、大幅な物質改善が必要であることも示されました。
そこで本研究では、水素化マグネシウムなどの金属水素化物の微粒子とホウ化水素シートを組み合わせてナノコンポジットを調製し、その水素放出特性・耐久性・繰り返し特性を明らかにします。
これらの知見を基に用途に応じて水素放出特性を制御可能な高密度水素貯蔵材料群を創出します。

B01

北陸先端科学技術大学院大学［ 界面高分子化学 ］

長尾 祐樹

私はこれまでプロトン伝導性高分子薄膜の界面におけるプロトン伝導性と分子配向の相関について研究を行ってきました。高分子特有の主鎖や官能基等は、界面近傍ではバルクと比べて構造が異なることがわかってきました。例えば、高プ
さら
ロトン伝導性高分子であるNafionは、界面の影響を受けた薄膜では配向構造を示すことが明らかにされています。
に、酸化物界面と金属界面ではその配向構造が異なります。
その構造の違いによってプロトン伝導度も異なります。
これらの研究はまだ体系的に実施されておらず、特にデバイスや電池において重要な知見となる金属系材料や炭素系材料などの導電性表面における、高プロトン伝導性高分子界面のプロトン伝導性は十分に明らかにされていない状況です。本研究の目的は、電極や活物質界面における、
プロトン伝導性高分子のプロトン輸送と分子配向の評価法を確立し、界面における含水量、酸解離状態、相分離のモルフォロジーや分布などの評価を通して、その相関を明らかにすることです。得られた知見を基に、燃料電池や蓄電池の高性能化に必要な界面の材料設計指針を見出します。

B01

大阪大学［ 高圧科学 ］

榮永 茉利

高圧力下に広がる物性、特に圧力誘起超伝導や構造相転移の研究を行っており、新しい水素化合物の高圧合成と高温超伝導の探索に注力しています。以前より、水素もしくは水素化合物が高圧力下で高い超伝導転移温度Tcを示すことが予想されていましたが、近年、高圧力下の硫化水素やランタンの水素化物が地球表面の最低温度を超えるTcをもつことが実
さらに、
この硫化水素にドーピングを行うことで、よ験的に明らかにされ、これまでのTcの最高値が大幅に更新されました。
この物質系に着目し、100万気圧を超える超高圧力
り高いTcをもつ物質となることが期待されています。本公募研究では、というパラメータを用いて、常圧では実現できない水素に起因した高温超伝導の発見を目指します。
圧力は物質の状態を大きく変化させることが期待できる一方で、超高圧力を印加しながらの実験には様々な制限がある
ため、特に理論グループとの共同研究によって、本公募研究をより一層推進させ、本領域の発展に貢献したいと考えます。

B02

北海道大学［ 触媒化学 ］

前野 禅

固体触媒表面に生成するヒドリド種は、様々な水素化・脱水素反応の活性点や中間体として機能すると認識されています。
しかしながら、表面ヒドリド種は一般に不安定であり、複雑な固体材料表面上には様々なヒドリド種が生成しうるため、その構造解析と機能解明は未だ重要かつ困難な研究です。
私たちは、規定されたイオン交換サイトを細孔内に有するゼオライトを用い、構造が明確かつ高温でも安定な第13族金属元素の表面ヒドリド種が生成すること、アルカン脱水素反応の活性点として作用することをつかんでいます。本研究では、ゼオライト細孔内で様々な典型・卑金属元素の表面ヒドリド種を精密制御し、アルカン脱水素反応に高活性・高選択性を示す白金族フリー触媒を開発します。非貴金属元素をベースとする高機能触媒の開発は、脱白金を指向した触媒プロセスの創成につながる研究です。
さらには、in situ/operando計測を専門とする研究グループとの連携により、高温・脱水
素反応条件下での表面ヒドリド種を観測し、「高温でのヒドリド種の触媒機能」の解明を目指します。

9

B02

東京大学［ 電気化学・錯体化学 ］

山田 鉄兵

プロトンは水素原子から電子を取り除いた非常に小さなイオンで、プロトンのやりとりによって大きな熱が生じます。私は電気化学的な酸化還元反応によりプロトンの吸蔵・放出の際に生じる熱を上手く利用する研究を行っています。
第一期の公募研究では、酸化還元反応によってプロトンを出し入れするプロトン共役電子移動反応を使った熱化学電池を作成し、大きな酸化還元反応エントロピーに起因した高いゼーベック係数を実現しました。
第二期ではこの逆反応を利用して、電気で冷える素子「電気化学ペルチェ素子」
を作ります。電気によって片方の電極で金属錯体の酸化反応を起こし、それによってプロトンを放出します。
その際に必要な熱を吸収することで、電極を冷やすことが出来ると期待します。反対側の電極では逆に金属錯体の還元反応により発熱が起きます。
それにより、電気によって熱を輸送することが出来ます。
プロトンの出入りの熱が非常に大きいために効率よく熱を運ぶことが出来るのがこの研究の重要な点です。
これによってプロトン放出による冷却素子という新しい素子の原理の実証を目指します。

B02

正井 宏

東京大学［ 高分子材料 ］

プロトンの化学反応性を光で自在に制御し、高分子材料における材料機能の光微細加工へと応用します。光加工性材
料は材料をマイクロスケールで加工するための有用な技術ではありますが、その材料は光に不安定であり、材料を長期的に使い続けることが困難であるという本質的な問題点を抱えています。本研究では、
この問題を打開するための方法論として、光によって材料を直接加工するのではなく、プロトンと光とを協働的に作用させることで成立する新しい光加工技術を開発します。
この光加工では加工後にプロトンを除去することで、材料は光加工性と光に対する安定性を両立可能となることが期待されます。従来困難とされてきた光加工性と光安定性を両立し、光加工技術で素材の特定の位置に対して形
状・弾性・光物性をコントロールしつつ、光に対して安定なゲル・エラストマー・ガラス材料を構築します。
これらは幾何的に複雑な延伸性や微細光特性を材料中に付与し、材料機能の高次元化を実現することが期待されます。
プロトンがもたらす
反応性や機能性の制御・理解を目指し、積極的に領域内で連携を進めたいと考えております。

B02

北野 政明

東京工業大学［ 触媒化学 ］

アンモニアは窒素肥料や繊維、窒素含有化合物などの原料として幅広く用いられる重要な化合物であり、近年では水素それにエネルギーの貯蔵や輸送手段（水素エネルギーキャリア）
または、CO2を排出しない燃料としても注目されています。
伴い低温･低圧条件でのアンモニア合成の省エネプロセスが求められるようになっています。我々は、金属酸化物の格子酸
2-

3-

-

サイトの一部を窒素（N ）および水素（H ）で置換した酸窒素水素化物に遷移金属ナノ粒子を固定化した触媒を素（O ）用いることで、優れたアンモニア合成および分解活性を実現しています。本触媒系では、酸窒素水素化物担体と金属ナノ粒子との界面構造を制御することが触媒活性向上に重要であり、本研究では担体中の格子窒素や水素（ヒドリドイオン）が及ぼす触媒反応への作用機構を解明し、さらに高性能な触媒材料設計指針を得ることを目的としています。

B02

京都大学［ 錯体化学 ］

大木 靖弘

金属-水素（ヒドリド）化合物は、
自然界では窒素分子からアンモニアへの還元や、水素分子の代謝や生成に代表される、
まエネルギー変換を触媒する酵素で用いられています。
しかし、酵素がなぜ、どのように金属-水素化合物を利用するのか、だ解明されていない謎も多く残されています。従って酵素機能を参照した人工触媒を開発するには、欠けているパズルのピースを自ら埋めるべく、化学の視点で合理的に酵素機能を解釈する必要があります。本研究では、窒素分子を還元する
酵素ニトロゲナーゼにおけるヒドリドの役割を独自に考察した上で、想定される作用機序の要点を、低分子の新規金属-水素化合物（錯体分子）として、高い反応性を付与しつつ具現化します。
また、得られる錯体分子は、高効率なエネルギー変換反応用の触媒として利用します。特に水素機能が生かされる反応である還元反応、脱水素化/水素化反応や、酵素反応の理解を、領域内外との連携も含めてできるだけ広く進め、従来の分子触媒では不可能/困難であった反応プロセスや、酵素機能を凌駕する反応の創出に繋げます。

10

第二期公募研究紹介
B02

加藤 浩之

大阪大学［ 表面物理化学 ］+

表面科学の研究手法をベースに、自己組織化膜に機能を付与する研究を進めています。公募研究では、
プロトン
（H ）
の
+

+

ドナー/アクセプター異種二分子膜における電子－H 相関物性の創出を目指しています。近年、電子－H 相関物性を示す+
このCat-TTF分子をH ドナー膜とした異種二分子膜を作製
Cat-TTF系分子性結晶が注目を集めています。本課題では、+
これまでに、
この異種
し、外部からの電界刺激などによってH 移動を誘起して分子膜の物性を制御したいと考えています。

二分子膜を自己組織化的に製膜する手法を確立することができました。
また、二分子膜の素性についてもだいぶ解析が進みました。今後は、
いよいよ電界刺激に対する分子膜の応答を見極める段階です。
これには、従来の走査型プローブ顕微/
分光法だけではなく、新たな評価装置（測定手法）が必要になると思われます。直ぐに進められる実験はもちろん、
チャレン
+

+

そして電子－H 相関物
ジングな計測にも取り組む予定です。新学術領域研究内外の方々と連携しつつ、H 移動の誘起、性の制御が実現できるよう本課題に挑戦したいと考えています。

B02

九州大学［ 錯体化学 ］

中西 匠

生体や固体材料中で現れる多彩な機能の多くは分子、電子、プロトンといった構成要素の動的挙動が外場により誘起されることで達成されています。
特に、
プロトンと電子など外場に応答する複数の要素が共役する系では、単一成分では現れない
特異な現象や、
一方の外場応答性が共役を通じて他方にも付与される交差制御に基づく新たな機能が発現します。
本研究では固体中におけるプロトン移動現象と他の動的現象との共役を積極的に利用した、新現象や新機能の開拓を目指しています。
特にスピン転移現象とプロトン移動が連動して発現する現象（プロトン結合スピン転移現象）
を基盤に、交差制御に基づく機能の開拓を行っています。
プロトン移動現象は分極変化、電場応答性の起源となり、スピン転移現象は光応答性、磁性の変化の起源となることから、これらが共役する系では光励起プロトン移動に基づく分極の光制御、電場誘起プロトン移動に基づ
く磁性の電場制御といった機能が実現できると考えています。
またハイドロジェノミクスでの活動を通じて他の分野を専門とする方々と連携し、プロトン移動を発現させることが可能な分子の設計指針に対して新たな知見を与えたいと考えています。

B02

東京理科大学［ ナノ材料化学 ］

川脇 徳久

金属クラスターを用いた水分解電極触媒に関する研究をしています。
クリーンな水素生産技術として、
自然エネルギーを用いた水電解や水分解光触媒が注目されています。
これらの実現には、高性能な水素生成触媒の創製が鍵となります。
こ
れまでに、原子が数個から数十個集まった金属クラスターが高い触媒活性を示すことを明らかにしてきました。
これは、
サ
イズ減少に伴う表面エネルギーの増大や量子サイズ効果によって、金属クラスターがバルク金属とは異なった幾何/電子構造を有するためです。一方で、次世代材料のひとつである金属有機構造体すなわち多孔性配位高分子は、節となる金属
イオンと、有機リンカーが、交互に組み合わさって三次元構造を形成するため、空孔内に特定の分子を貯蔵し、また貯蔵した分子を化学反応によって変換できるといった興味深い特性を示します。本研究では、これらを組み合わせて、金属クラス
ター同士を規則的に配列したナノ構造体を創製し、その孔部位による選択的分子貯蔵性を利用して高活性な水電解水素
生成触媒として応用することを目指します。

A05

茨城大学［ 中性子科学、固体物理学 ］

大山 研司

私は中性子散乱を用いた固体物理学研究を専門とする中性子屋で、現在は、新しい原子イメージング法である「白色中性子ホログラフィー」
により特定のドーパント周りの原子構造を可視化することで、格子へのドープ効果やドーパントの位
置決定を進めています。
すでに半導体材料0.13at%BドープSi、熱電材料0.75at%BドープMg2Siなどでドーパント周りの原子像イメージングに成功しています。
中性子を用いるため水素も観測対象となりますから、水素化物でのホログラフィー
実験が実現すれば、物質中で水素が格子を組まない場合でも水素位置を決定できます。
中性子ホログラフィーは世界でも茨城大だけがもつ技術なので、水素での原子イメージングに成功すれば、日本にしかできない水素科学研究が展開できるはずです。
とはいえ、私は水素についてはずぶの素人ですので、専門家の皆様とのネットワークが必須と考え、今回、公募研究に応募しました。
この公募研究により水素での原子イメージングを成功させることで、ハイドロジェノミクスを世界的にも、より個性的なものにできればと思っております。
お力添えいただければ幸いです。

11

A05

筑波大学［ 理論化学・計算化学 ］

堀 優太

生体内には、水素をプロトンと電子に可逆的に変換する酵素が存在します。その反応機構の理解は、変幻自在な水素を理解する上で重要な知見を与えるだけでなく、バイオ電池や水素分解・合成触媒などの開発への指針を与えることが期待できます。本公募研究では、理論計算化学を用いて生体酵素内で起こる水素活性や輸送中の構造を取り上げ、反応が起こる活性部位の正確な構造を理解し、分子レベルで起こる反応を丁寧に解析することによって、反応機構の詳細を明らかにすることを目標として研究を行います。量子論に基づく量子化学計算により酵素反応中の水素の位置や電子状態を決定し、古典（統計）力学に基づく分子動力学計算により酵素内の動的な構造変化を捉えることができます。本領域内のハイドロジェノミクスの展開には、実験と理論の連携が必要不可欠であると考えられます。
したがって、実験との連携を通して、「 水素の高速移動」や「水素活性反応プロセス」などの水素が関わる広範な結果や知見を取り入れ、積極的に理論計算に活用することにより、理論計算の立場からハイドロジェノミクスの学
理の構築に貢献していきたいと考えています。

A05

横浜市立大学［ 量子化学・計算化学 ］

立川 仁典

第一原理経路積分法等の量子化学手法を高度化することで、電子だけでなく水素原子核自身の量子効果も含めた多成分系量子化学計算手法を確立します。それにより、低障壁水素結合に着目した分子性結晶や表面化学、生体
さらには超分子等を対象とした大規模量子化学計算を実現し、プロトン自身の量子効果の影響やH/D 同位体効果、
高次水素機能の発現機構解明や高精度予測を目指します。申請者の量子化学手法と実験研究者との有機的な結びつきにより、特にプロトン－電子カップリングに焦点を絞り、領域内での密な議論に基づき、本領域の研究推進に大きく貢献します。

A05

物質・材料研究機構［ 計算物質科学 ］

石河 孝洋

第一原理計算と進化的アルゴリズムに立脚した組成・結晶構造予測手法を用いて新物質の探索を行っています。高圧
力下における硫黄水素化物やランタン水素化物で200Kを超える高温超伝導が発見されたことにより、室温超伝導の新たな候補として水素化物が注目されています。特筆すべき点として、最近行われたランタン水素化物の実験で超伝導転移温度が更なる上昇を示し、室温を大幅に超える550Kまで到達したという論文が2020年にプレプリントサーバ上で発表されました。
この超伝導性の急激な増大が何に起因するかは明らかになっていませんが、水素化物を合成するために使われた水素供給源のアンモニアボランがランタン水素化物と反応し、その構成元素であるホウ素や窒素を含む3元系や4元系水素化物が形成されたことによって引き起こされた可能性が考えられます。公募課題では、
これまでの研究で開発した組成・それらの超伝導性を調
結晶構造予測手法をランタン-ホウ素-窒素-水素系に適用させて安定な新奇水素化物を探索し、べることによって実験で報告された室温超伝導の検証を行う計画です。

A05

物質・材料研究機構［ 超高圧物質科学 ］

中野 智志

試料の分解を防ぎつつ高水素密度・水素比、高配位数の水素化物を探索・合成するためには、超高圧の利用が有効です。メガバール（ Mbar 、100GPa 超）の超高圧実験にはダイヤモンド・アンビル・セル（ DAC ）が用いられますが、このセルに試料とともに高密度水素を導入できるガス充填装置を駆使し、未知の高水素密度・水素比・高配位数の水素化物を広範囲に探索して、新規機能性水素化物の創成を目指します。
これまで、同様の手段を用いて新規水素化ホウ素の高温高圧合成、LiBH 4の高圧構造とイオン伝導性の解明、NH 3 BH 3の高温高圧相の発見と構造解
析、BaH 2の高温高圧相図の解明などを行ってきました。本公募研究では、二元系物質として高水素比アルカリ金属・アルカリ土 類 金 属 水 素 化 物 、三 元 系 物 質として I I I A 族および遷 移 金 属 錯 体 水 素 化 物に取り組み、高 圧 下
in-situＸ線回折、ラマン散乱、中性子回折などにより、水素化物の生成・反応や構造変化を調べます。さらに領域内の計画研究と連携して水素密度をさらに高める物質合成を行うとともに、高圧下でのイオン電導率測定など物性測定を行い、本領域研究に貢献します。

12

若手サイエンティスト紹介
東京大学物性研究所

秋葉 宙

東京大学物性研究所山室研究室助教の秋葉宙と申します。私は中性子散乱を利用して物質中の水素の構造やダ
イナミクスの研究を行っています。中性子はX 線とは異なり原子核で散乱されるため、水素のような軽元素の観測に適したプローブです。中性子散乱実験には、国内では大強度陽子加速器施設（ J-PARC ）や研究用原子炉（ JRR-3 ）のような大規模な施設を利用します。対象とする物質としては、
これまで金属水素化物ナノ粒子の研究を行ってきました。ナノ粒子は表面や界面付近では結晶構造の歪みや乱れがあり、この乱れた構造の中では水素の位置や運動は
バルク中のものとは大きく異なります。特に、水素の拡散過程が熱活性型から量子トンネルに移行する過程を実験で観測することは、私が水素の研究をする上で大きなモチベーションとなっています。
ハイドロジェノミクスでは、
プロトン伝導性をもつイオン液体のダイナミクスを中性子準弾性散乱法により研究していますし、低温蒸着法により作製したアモルファス水素ハイドレートという新物質の構造を中性子回折法により調べています。
また、当研究室の大政特任研究員と一緒に折茂グループ・齋藤グループが開発した水素クラスターを含む
物質群についても研究しています。今後とも、ハイドロジェノミクス研究に貢献できればと思いますので、どうぞよろしくお願いいたします。

九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所

野口 朋寛

2

九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所（ WPI-I CNER ）の野口朋寛と申します。私は、変調励起と赤外分光法を組み合わせたMES-IR 測定を用いて触媒表面での物質の吸着・脱離反応の観測
分光法（ MES 法）を中心に研究を行っています。吸着・脱離反応は触媒反応サイクルの効率に直接影響を与えることからその詳細の解明は極めて重要です。MES-IR 測定では周期的に反応物を触媒表面に導入し得られたIRスペクトルを位相検波により解析することで、これまで困難であった吸着・脱離過程の高 S/N比かつ高時間分解能を両立した直接観察が可能になります。
ハイドロジェノミクスでは、水素が関与する触媒反応の精密制御や新規反応プロセス開発のため、A04の山内先生と協力して、水素の触媒表面での吸着・活性化・反応プロセスの解明に取り組んでおります。
これまでに、Ru 系アンモニア合成触媒への水素分子の吸着・脱離プロセスのその場測定に成功し、水素分子および水素原子のRu 原子への吸着量の時間変化の違いなどの新しい知見を得ています。
また東北大の折茂先生、東北大から異動された芝浦工大の佐藤先生からご提供いただいた水素吸蔵合金を用いて、水素の吸蔵・放出過程の分光法による直接観察も試みております。私は、最新の分光法を用いて反応プロセス解明を行うことによりハイドロジェノミクスの研究に貢献していきたいと考えております。今後とも何卒よろしくお願い申し上げます。

日本原子力研究開発機構システム計算科学センター

Bo Thomsen

My name is Bo Thomsen, I work together with Motoyuki Shiga at the Japan Atomic Energy Agency
in the Center for Computational Science & E-systems as a contributor to the PIMD program. This
program allows modelling of nuclear quantum effects（ NQEs ）in an ab-initio fashion, thereby
making e.g. the behavior of hydrogen and deuterium distinguishable in molecular dynamics
simulations. Our applications include calculating the autoionization constant of water isotopologs
and determining the hydrogen bond structure of water at sub- and supercritical conditions. In bothstudies we find that NQEs are essential for the breaking of the O-H bond. This is supported by
pre-dissociative states, in which hydrogen are found to have an equal distance to two oxygen atoms,
only being found in the simulations including NQEs of both high and low temperature water. We
hope to extend these studies to understand the influence NQEs have on the structure of hydrogenbonds and reactivities in condensed phase and material sciences. We are to this end currently
collaborating with researchers from group A5-1 in the Hydrogenomics project to determine themuon stopping locations in amorphous ice, and researchers from groups A5-2 and A3 to determine
the free energy profiles of imidazole rotation in crystalline imidazolium succinate.

13日本化学会 第101春季年会 コラボレーション企画
2021年3月19日（金）、オンライン開催「日本化学会 第101春季年会 コラボレーション企画」に参画しました。高
次水素機能をもつ革新的材料（プロトン・ヒドリド・リチウ
ム高速伝導体、水素系超伝導体）
・デバイス（燃料電池、
電気化学デバイス）
・反応プロセス（水素化反応）の創成について、化学が工学・物理学・生物学など幅広い分野と連携し、実験と理論が協働で創出している成果を、各計画研究を代表して7名の先生方にご紹介いただきました。

プログラム●主旨説明：森 初果
（東大）
（東北大）
●高密度水素化物の材料科学 －ハイドロジェノミクスでの挑戦－：折茂 慎一（京大）●金属錯体による水素の高活性化 －水素社会の基盤技術開発を目指して－：藤田 健一（早大）●創蓄電デバイスの設計に向けた水素貯蔵高分子の高性能化：小柳津 研一（分子研）●ヒドリド導電体の物質開拓と電気化学デバイスへの応用可能性：小林 玄器（東工大）●金属水素化物エピタキシャル薄膜合成と電子・光学・イオン伝導機能：一杉 太郎（KEK物構研）●中性子散乱による水素の観測：大友 季哉（東大）●計測とシミュレーションの水素データ同化：常行 真司

第7回若手育成スクール・全体会議
2021 年 5月14日（金）-15日（土）、オンラインにて「 第 7 回 若 手 育 成ス
クール・全体会議」を開催し、102名が参加しました。2021 年 4月より新たに加わった、第 2 期公募研究 16 名の先生方から、研究内容、今後の連携研究の可能性についてご発表いただきました。本年度より「研究協力」
として7名の先生方にも新たに参画していただいております。新学術ハイドロジェノミクスの研究期間も残り2年を切り、後半戦に入りました。新体制にて、連携研究の促進、学理構築に向けてハイドロジェノミクスメンバー全員で目標の再確認をしました。皆さんと連携研究を楽しく進めていきたいと思います。
よろしくお願いいたします。

研究ハイライト

東北大学金属材料研究所 助教

味戸 沙耶

イリジウム錯体の色調変化を用いて、金属を透過した水素の検出に成功
鉄鋼材料は、高強度化が進められており省
資源・省エネルギーに貢献しております。
しかし、高強度鉄鋼材料は材料内部に侵入した
水素と材料に付与された応力との相互作用による破壊現象、水素脆化感受性が高いことが実用化の課題の一つとなっています。水素
脆化を克服し、高強度鉄鋼材料を幅広く実用化するためには、材料内部への水素の侵入挙動や破壊におよぼす水素の役割を明らかにする必要があ
り、材料中の水素を可視化する技術の開発が求められています。本研究では、京都大学藤田教授 [A04]の合成されたIr 錯体が水素ガスと反応する際に、その色が明瞭に変化することに着目し、水素指示薬として適用することを着想しました。金属表面にIr 錯体を塗布すると、金属内部から放出された水素とIr 錯体が反応することでIr 錯体の色が変化し、金属中の水素分布を可視化することに成功しました。
この手法は、Ir 錯体の反応にともなう色の変化を用いて水素の検出をおこなうので、水素の分布はデジ
タルカメラなどを用いて容易に観察が可能です。
したがって、鉄鋼材料の水素脆化機構解明に関する研究への適用だけでなく、例えばサワーガス用のラインパイプや水素圧力容器などの実用環境での水素検出への応用も期待できます。現在は、水素の拡散挙動に分布のある鋼板への水素可視化技術の適用や視認性、空間分解能の向上を目指してハイドロジェノミクスの先生方との共同研究を進めております。

14

今後の予定○ 2021年8月19日（木）-20日（金）「第4回ハイドロジェノミクス研究会」
をオンライン開催いたします。
○ 2021年8月31日（火）「第8回若手育成スクール」
をオンライン開催いたします。
○2021年11月19日（金）- 20日（土）「第8回全体会議」
を九州大学にて開催いたします。
○2021年11月26日（金）-27日（土）「第15回物性科学領域横断研究会」に参画いたします。
○2021年12月12日（日）-17日（金）「MRM2021（MRS-J）
シンポジウム」に参画いたします。
○2022年5月16日（月）-19日（木）「第3回ハイドロジェノミクス国際会議」
をつくばにて開催します。

Hydrogenomics News Letter, vol.9［東北大学 折茂研究室 テクニカル・マネジメントサポート］
TEL：022-215-2093
mail : secretary@hydrogenomics.jp［東京工業大学 一杉研究室 マネジメント・アウトリーチ］
TEL：03-5734-2636
mail : outreach@hydrogenomics.jp

発行日 ： 2021 年 7月25日