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2015 Fiscal Year Annual Research Report

規整ナノ反応場の構築と新しい触媒機能の創出

Planned Research

Project AreaExploration of nanostructure-property relationships for materials innovation
Project/Area Number 25106010
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

高草木 達  北海道大学, 触媒科学研究所, 准教授 (30359484)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 原 賢二  東京工科大学, 工学部, 准教授 (10333593)
清水 研一  北海道大学, 触媒科学研究所, 教授 (60324000)
Project Period (FY) 2013-06-28 – 2018-03-31
Keywords触媒 / 環境浄化 / グリーン有機合成 / ナノ材料 / 表面解析
Outline of Annual Research Achievements

本A03(ケ)班では、表面金属ナノクラスター触媒(担持金属触媒)や固定化金属錯体触媒(表面金属錯体触媒)を用いた環境浄化及びグリーン有機合成反応をターゲットとし、単結晶モデル表面を用いた活性ナノ構造の原子レベル評価とそれに基づいた実触媒の開発を並行して行っている。
本年度はまず、昨年度と同様、金属ナノクラスター/酸化物界面に形成される特殊なナノ構造の反応性について検討した。二酸化チタン単結晶表面に白金ナノ粒子を担持したモデル触媒表面において、メタノール分解サイトを直接同定するために、反応温度でのSTMその場観察を試みた。しかし、中間体であるメトキシの拡散が速く、STMの時間分解能が十分ではなかった。そこで、昇温脱離法により明らかにすることを計画し、装置の立ち上げを行った。実触媒に関しては、アミドやスルホキシド等の難還元性有機化合物を水素分子により還元し,有用化合物に変換する触媒反応に対して,既存の有機金属触媒を上回る性能を示す担持金属触媒を、ナノクラスター化、担体酸塩基点の協働効果を駆使して開発した。また、表面金属錯体触媒に関しては、配位性の有機分子で修飾した二酸化チタン単結晶表面において、ニッケルの均一な単核錯体を調製し、偏光全反射蛍光XAFS法によりその三次元構造解析に成功した。これまでの銅、金の結果と合わせ、単核金属錯体形成メカニズムを統一的に説明した。実触媒においては、配位性の有機分子を導入した規則性メソポーラス有機シリカの細孔表面に金属錯体を固定化し、高い触媒活性と特異な反応基質選択性を見出した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

先端的なナノ構造解析手法を用いた単結晶モデル表面での触媒反応メカニズムの解明とともに、実触媒の開発も順調に進んでおり、ナノ構造と活性の相関に関する情報(触媒ナノ構造情報)の蓄積も進んでいる。また、本年度後半からは金属触媒の活性支配因子であるd-バンド中心に関して、従来は多くの時間及び計算コストを消費して理論計算により求めていたが、機械学習法により簡便に算出・予測する手法の開発を、班内及び領域内での連携研究により開始した。本テーマは、ナノ構造と機能との相関を、実験や理論計算のみならず、情報学的手法を取り入れることによって、より簡便かつ高速に明らかにするという本新学術領域の最も重要な課題の一つである。

Strategy for Future Research Activity

今後も、これまでと同様に表面金属ナノクラスター触媒(担持金属触媒)と固定化金属錯体触媒(表面金属錯体触媒)を用いた環境浄化及びグリーン有機合成反応をターゲットとし、単結晶モデル表面を用いた活性ナノ構造の原子レベル評価とそれに基づいた実触媒の開発を、並行して行っていく。具体的には、表面金属表面金属ナノクラスター触媒に関しては金属/酸化物相互作用、すなわち、金属ナノクラスター/酸化物界面に形成される特殊なナノ構造に着目する。モデル単結晶表面(主に領域内共通試料である二酸化チタン)を用い、STM、昇温脱離法,光電子分光法、偏光全反射蛍光XAFS法等を駆使して、界面ナノ構造と触媒特性の相関を明らかにするとともに、実触媒の開発を行っていく。固定化金属錯体触媒に関しても同様に、二酸化チタンのモデル単結晶表面を用い、配位性の有機分子修飾によって単核、複核、三核錯体の調製とナノ構造解析、触媒反応測定を行う。金属の種類や原子数に依存した活性の違いを明らかにし、実触媒へと展開していく。また、情報科学的手法(機械学習)を用いて、触媒活性を支配する因子(dバンド中心等)を簡便に予測する手法の開発を試み、新規触媒材料探索法としての確立を図る。

  • Research Products

    (35 results)

All 2016 2015 Other

All Journal Article (19 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 19 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 10 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 8 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Portable ultrahigh-vacuum sample storage system for polarization-dependent totalreflection fluorescence x-ray absorption fine structure spectroscopy2016

    • Author(s)
      Yoshihide Watanabe, Yusaku F. Nishimura, Ryo Suzuki, Hiromitsu Uehara, Tomoyuki Nimura, Atsushi Beniya, Noritake Isomura, Kiyotaka Asakura, Satoru Takakusagi
    • Journal Title

      Journal of Vacuum Science & Technology A

      Volume: 34 Pages: 023201(1~5)

    • DOI

      10.1116/1.4936344

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Dynamics of Photoelectrons and Structural Changes of Tungsten Trioxide Observed by Femtosecond Transient XAFS2016

    • Author(s)
      Y. Uemura, D. Kido, Y. Wakisaka, H. Uehara, T. Ohba, Y. Niwa, S. Nozawa, T. Sato, K. Ichiyanagi, R. Fukaya, S. Adachi, T. Katayama, T. Togashi, S. Owada, K. Ogawa, M. Yabashi, K. Hatada, S. Takakusagi, T. Yokoyama, B. Ohtani, K. Asakura
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition

      Volume: 55 Pages: 1364 ~1367

    • DOI

      10.1002/anie.201509252

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A New Indicator for Single MetalDispersion on a TiO2(110) Surface Premodified with a Mercapto Compound2016

    • Author(s)
      Satoru Takakusagi, Akitoshi Kunimoto, Natee Sirisit, Hiromitsu Uehara, Tadashi Ohba, Yohei Uemuara, Takahiro Wada, Hiroko Ariga, Wang-Jae Chun, Yasuhiro Iwasawa, Kiyotaka Asakura
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 未定 Pages: 未定

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.5b11630

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Direct Synthesis of Cyclic Imides from Carboxylic Anhydrides and Amines by Nb2O5 as a water-tolerant Lewis acid Catalyst2016

    • Author(s)
      Md. A. Ali, Sondomoyee Konika Moromi, Abeda S. Touchy, Ken-ichi Shimizu
    • Journal Title

      ChemCatChem

      Volume: 8 Pages: 891~894

    • DOI

      10.1002/cctc.201501172

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Exploring the catalytic properties of supported palladium catalysts in the transfer hydrogenolysis of glycerol2015

    • Author(s)
      F. Mauriello, H. Ariga, M.G. Musolino, R. Pietropaolo, S. Takakusagi, K. Asakura
    • Journal Title

      AppliedCatalysisB:Environmental

      Volume: 166-167 Pages: 121~131

    • DOI

      10.1016/j.apcatb.2014.11.014

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] EXAFS Studies of Pd Nanoparticles: Direct Evidence for Unusual Pd-Pd Bond Elongation2015

    • Author(s)
      Tadashi Ohba, Hitoshi Kubo, Yusuke Ohshima, Yuichi Makita, Noriaki Nakamura, Hiromitsu Uehara, Satoru Takakusagi,Kiyotaka Asakura
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 44 Pages: 803~805

    • DOI

      10.1246/cl.150180

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Deprotonation of a dinuclear copper complex of 3,5-diamino-1,2,4-triazole for high oxygen reduction activity2015

    • Author(s)
      Masaru Kato, Ken’ichi Kimijima, Mari Shibata, Hideo Notsu, Kazuya Ogino, Kiyoshi Inokuma, Narumi Ohta, Hiromitsu Uehara, Yohei Uemura, Nobuhisa Oyaizu, Tadashi Ohba, Satoru Takakusagi, Kiyotaka Asakura, Ichizo Yagi
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 17 Pages: 8638~8641

    • DOI

      10.1039/c4cp05595k

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A high-temperature in situ cell with a large solid angle for fluorescence X-ray absorption fine structure measurement2015

    • Author(s)
      Naoyoshi Murata, Makoto Kobayashi, Yukari Okada, Takuya Suzuki, Hiroaki Nitani, Yasuhiro Niwa, Hitoshi Abe, Takahiro Wada, Shingo Mukai, Hiromitsu Uehara, Hiroko Ariga, Satoru Takakusagi, Kiyotaka Asakura
    • Journal Title

      Review of Scientific Instruments

      Volume: 86 Pages: 034102(1~6)

    • DOI

      10.1063/1.4914459

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Investigation of the Cleanliness of Transferred Graphene: The First Step toward Its Application as a Window Material for Electron Microscopy and Spectroscopy2015

    • Author(s)
      Tao Ma, Kotaro Miyazaki, Hiroko Ariga, Satoru Takakusagi, Kiyotaka Asakura
    • Journal Title

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      Volume: 88 Pages: 1029~1035

    • DOI

      10.1246/bcsj.20150107

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Amidation of Carboxylic Acids with Amines by Nb2O5 as a Reusable Lewis Acid Catalyst2015

    • Author(s)
      Md. A. Ali, S. M. A. H. Siddiki, Wataru Onodera, Kenichi Kon, Ken-ichi Shimizu
    • Journal Title

      ChemCatChem

      Volume: 7 Pages: 3555~3561

    • DOI

      10.1002/cctc.201500672

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] A Heterogeneous Niobium(V) Oxide Catalyst for the Direct Amidation of Esters2015

    • Author(s)
      Md. A. Ali, S. M. A. H. Siddiki, Kenichi Kon, Ken-ichi Shimizu
    • Journal Title

      ChemCatChem

      Volume: 7 Pages: 2705~2710

    • DOI

      10.1002/cctc.201500601

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Acceptorless dehydrogenative synthesis of benzothiazoles and benzimidazoles from alcohols or aldehydes by heterogeneous Pt catalysts under neutral conditions2015

    • Author(s)
      Chandan Chaudhari, S. M. A. Hakim Siddiki, Ken-ichi Shimizu
    • Journal Title

      Tetrahedron Letters

      Volume: 56 Pages: 4885~4888

    • DOI

      10.1016/j.tetlet.2015.06.073

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Unprecedented Reductive Esterification of Carboxylic Acids under Hydrogen by Reusable Heterogeneous Platinum Catalysts2015

    • Author(s)
      Abeda S. Touchy, Kenichi Kon, Wataru Onodera, Ken-ichi Shimizu
    • Journal Title

      Advanced Synthesis & Catalysis

      Volume: 357 Pages: 1499~1506

    • DOI

      10.1002/adsc.201401172

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Acceptorless dehydrogenative lactonization of diols by Pt-loaded SnO2 catalyst2015

    • Author(s)
      Abeda Sultana Touchy, Ken-ichi Shimizu
    • Journal Title

      RSC Advances

      Volume: 5 Pages: 29072~29075

    • DOI

      10.1039/C5RA03337C

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Selective Synthesis of Primary Amines by Reductive Amination of Ketones with Ammonia over Supported Pt catalysts2015

    • Author(s)
      Yoichi Nakamura, Kenichi Kon, Abeda Sultana Touchy, Ken-ichi Shimizu, Wataru Ueda
    • Journal Title

      ChemCatChem

      Volume: 7 Pages: 921~924

    • DOI

      10.1002/cctc.201402996

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Ruthenium-Immobilized Periodic Mesoporous Organosilica: Synthesis, Characterization, and Catalytic Application for Selective Oxidation of Alkanes2015

    • Author(s)
      Nobuhiro Ishito, Hirokazu Kobayashi, Kiyotaka Nakajima, Yoshifumi Maegawa, Shinji Inagaki, Kenji Hara, Atsushi Fukuoka
    • Journal Title

      Chemistry - A European Journal

      Volume: 21 Pages: 15564~15569

    • DOI

      10.1002/chem.201502638

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Kinetic Behavior of Catalytic Active Sites Connected with a Conducting Surface through Various Electronic Coupling2015

    • Author(s)
      Shino Sato, Kotaro Namba, Kenji Hara, Atsushi Fukuoka, Kei Murakoshi, Kohei Uosaki, Katsuyoshi Ikeda
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 120 Pages: 2159~2165

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.5b09364

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Catalytic efficiency of Nb and Nb oxides for hydrogen dissociation2015

    • Author(s)
      Shigehito Isobe, Katsuhiro Kudoh, Satoshi Hino, Kenji Hara, Naoyuki Hashimoto, Somei Ohnuki
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 107 Pages: 081602(1~4)

    • DOI

      10.1063/1.4929565

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Sulfuric Acid-Catalyzed Dehydration of Sorbitol: Mechanistic Study on Preferential Formation of 1,4-Sorbitan2015

    • Author(s)
      M. Yabushita, H. Kobayashi, A. Shrotri, K. Hara, S. Ito, A. Fukuoka
    • Journal Title

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      Volume: 88 Pages: 996~1002

    • DOI

      10.1246/bcsj.20150080

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] メルカプト化合物で修飾したTiO2(110)表面における金属の単原子分散化とその要因2016

    • Author(s)
      高草木達、Sirisit Natee、有賀寛子、朝倉清高
    • Organizer
      日本化学会第96春季年会
    • Place of Presentation
      同支社大学(京都府京田辺市)
    • Year and Date
      2016-03-26
  • [Presentation] 偏光全反射蛍光XAFS法による酸化物上金属ナノ構造の三次元可視化2016

    • Author(s)
      高草木達、朝倉清高
    • Organizer
      第2回放射光連携研究ワークショップ「空間階層構造の可視化と物質科学研究」
    • Place of Presentation
      JPタワーホール&カンファレンス(東京都千代田区)
    • Year and Date
      2016-02-18
    • Invited
  • [Presentation] XAFSによる金属触媒の構造解析および中性子散乱への期待2016

    • Author(s)
      原賢二
    • Organizer
      第2回 放射光・中性子の相補利活用セミナー
    • Place of Presentation
      研究社英語センタービル(東京都新宿区 )
    • Year and Date
      2016-02-09
    • Invited
  • [Presentation] Cooperative Catalysis of Lewis acid and Pt Cluster for Hydrogenation of Carboxylic Acids, Amides and CO22016

    • Author(s)
      Ken-ichi Shimizu
    • Organizer
      I2CNER International Workshop 2016
    • Place of Presentation
      九州大学伊都キャンパス(福岡県福岡市)
    • Year and Date
      2016-02-04
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Single Metal Dispersion on a TiO2(110) Surface Premodified with a Mercapto Compound2016

    • Author(s)
      Satoru Takakusagi, Kiyotaka Asakura
    • Organizer
      The 5th International Conference on MEXT Project of Integrated Research on Chemical Synthesis “Chemical Science for Future Societies
    • Place of Presentation
      名古屋大学(愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2016-01-29
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Polarization dependent total reflection fluorescence (PTRF)-XAFS study of atomically dispersed metals on a TiO2(110) surface premodified with mercaptobenzoic acid molecule2015

    • Author(s)
      Satoru Takakusagi, Hirotaka Nojima, Akitoshi Kunimoto, Kotaro Miyazaki, Hiroko Ariga, Hiromitsu Uehara, Wang-Jae Chun, Yasuhiro Iwasawa, Kiyotaka Asakura
    • Organizer
      he 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (PACIFICHEM 2015)
    • Place of Presentation
      Hawaii Convention Center (Hawaii, USA)
    • Year and Date
      2015-12-16
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Heterogeneous Catalysis for Direct Synthesis of Chemicals from Alcohols, CO2 and Biomass Platform Compounds2015

    • Author(s)
      Ken-ichi Shimizu
    • Organizer
      25th Annual Saudi-Japan Symposium 2015
    • Place of Presentation
      King Fahd University of Petroleum and Minerals (Dhahran, Saudi Arabia)
    • Year and Date
      2015-12-08
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Sustainable Heterogeneous Catalysis for Transformations of CO2 and Biomass Platform Compounds into Chemicals2015

    • Author(s)
      Ken-ichi Shimizu
    • Organizer
      7th China-Japan Workshop on Environmental Catalysis and Eco-Materials
    • Place of Presentation
      Guangzhou Baiyun International Convention Center (中国広州市)
    • Year and Date
      2015-11-08
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 単結晶表面上に形成した金属ナノ構造の高分解能計測と表面化学プロセスの原子レベル観察2015

    • Author(s)
      高草木達
    • Organizer
      第七回岩澤コンファレンス「サステイナブル社会のための最先端触媒化学・表面科学」
    • Place of Presentation
      千葉大学(千葉県千葉市)
    • Year and Date
      2015-09-29
    • Invited
  • [Presentation] 担体の協働作用を利用した金属ナノ粒子触媒の高機能化2015

    • Author(s)
      清水研一
    • Organizer
      第36回 触媒学会若手会夏の研修会
    • Place of Presentation
      ホテルニュー伊香保(群馬県渋川市)
    • Year and Date
      2015-08-05
    • Invited
  • [Presentation] Polarization dependent total-reflection fluorescence (PTRF) XAFS study of atomically dispersed metals on a TiO2(110) surface2015

    • Author(s)
      atoru Takakusagi, Hirotaka Nojima, Akitoshi Kunimoto, Kotaro Miyazaki, Hiroko Ariga, Hiromitsu Uehara, Wang-Jae Chun, Yasuhiro Iwasawa, Kiyotaka Asakura
    • Organizer
      The 17th International Symposium on Relations between Homogeneous and Heterogeneous Catalysis (ISHHC17)
    • Place of Presentation
      ユトレヒト(ドイツ)
    • Year and Date
      2015-07-14
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ru-Immobilized Periodic Mesoporous Organosilica as Selective Catalyst in Alkane Oxidation2015

    • Author(s)
      Kenji Hara
    • Organizer
      International Conference of Nanospace Materials 2015 (ICNM2015)
    • Place of Presentation
      National Taiwan University (Taipei, Taiwan)
    • Year and Date
      2015-06-23
  • [Presentation] Immobilization of Ru Complexes on Periodic Mesoporous Organosilica and Catalytic Application in Selective Alkane Oxidation2015

    • Author(s)
      Kenji Hara, Nobuhiro Ishito, Yoshifumi Maegawa, Shinji Inagaki, Atsushi Fukuoka
    • Organizer
      24th North American Meeting of the Catalysis Society (NAM)
    • Place of Presentation
      David L. Lawrence Convention Center (Pittsburgh, USA)
    • Year and Date
      2015-06-16
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] メソポーラス有機シリカ-金属錯体触媒固定化担体としての活用-2015

    • Author(s)
      原賢二
    • Organizer
      第116回触媒討論会
    • Place of Presentation
      三重大学(三重県津市)
    • Year and Date
      2015-06-16
    • Invited
  • [Book] Heterogeneous Catalysis for Today's Challenges2015

    • Author(s)
      Kenji Hara, Hirokazu Kobayashi, Tasuku Komanoya, Sheng-Jun Huang, Marek Pruski, Atsushi Fukuoka
    • Total Pages
      16
    • Publisher
      Royal Society of Chemistry
  • [Remarks] 北海道大学触媒科学研究所

    • URL

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

URL: 

Published: 2017-01-06  

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