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中坂　佑太 (ナカサカ　ユウタ)

工学研究院　応用化学部門　化学工学分野准教授

研究者基本情報

■ 学位
  • 博士（工学）, 北海道大学
■ URL
researchmap URLホームページURL■ ID 各種
J-Global ID■ 研究キーワード・分野
研究分野
  • ものづくり技術（機械・電気電子・化学工学）, 反応工学、プロセスシステム工学
■ 担当教育組織

経歴

■ 経歴
経歴
  • 2019年05月 - 現在
    北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授
  • 2012年02月 - 2019年04月
    北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教
  • 2010年01月 - 2012年01月
    北海道大学, 大学院工学研究院, 博士研究員
委員歴
  • 2023年03月 - 現在
    化学工学会北海道支部, 常任幹事, 学協会
  • 2020年03月 - 現在
    化学工学会 反応工学部会 触媒反応工学分科会, 幹事, 学協会
  • 2016年05月 - 現在
    一般社団法人触媒学会 北海道支部, 幹事, 学協会
  • 2012年05月 - 現在
    石油学会 ジュニアソサイアティ, 幹事, 学協会
  • 2019年03月 - 2022年02月
    化学工学会 北海道支部, 庶務幹事, 学協会
  • 2018年05月 - 2021年05月
    触媒学会, 触媒誌編集委員, 学協会
  • 2016年03月 - 2020年02月
    化学工学会 反応工学部会 触媒反応工学分科会, 会計担当幹事, 学協会
  • 2013年04月 - 2016年03月
    化学系学協会北海道支部, 冬季研究発表会実行委員, 学協会
  • 2013年04月 - 2016年03月
    触媒学会北海道支部, オーロラ委員, 学協会
  • 2015年03月 - 2016年02月
    日本化学会北海道支部, 会計幹事, 学協会
  • 2015年06月
    ZMPC2015 実行委員, 学協会

研究活動情報

■ 論文
■ その他活動・業績
■ 書籍等出版物
  • バイオマス材料の開発と応用
    第3章 第2節
    （株）技術情報協会, 2023年03月, 9784861049408, ［分担執筆］
  • 触媒劣化 : 原因, 対策と長寿命触媒開発
    監修:室井, 高城; 増田, 隆夫, 第3章-3、第4章-6
    シーエムシー出版, 2018年01月, 9784781313146, v, 295p, 日本語, ［分担執筆］
  • 高機能ゼオライトの最新技術
    馬場, 俊秀, 第４章-6 ゼオライト触媒内の拡散と反応活性
    シーエムシー出版, 2015年11月, 9784781310954, v, 207p, 日本語, ［分担執筆］
■ 講演・口頭発表等
  • ゼオライト触媒内における分子の拡散現象と反応速度への影響
    中坂佑太
    第4回ゼオライトセミナー, 2020年10月16日
    ［招待講演］
  • ゼオライト細孔内におけるSCR反応物質の拡散現象
    中坂佑太
    第5回 排気触媒システム部門委員会（公開委員会）, 2019年03月04日
    ［招待講演］
■ 主な担当授業
  • 反応工学特論, 2024年, 修士課程, 総合化学院
  • マイクロ・ナノ化学, 2024年, 修士課程, 総合化学院
  • 大学院共通授業科目（一般科目）：自然科学・応用科学, 2024年, 修士課程, 大学院共通科目
  • 応用化学学生実験Ⅳ, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 反応工学, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 計算機演習, 2024年, 学士課程, 工学部
■ 所属学協会
  • 日本化学会
  • ゼオライト学会
  • 石油学会
  • 化学工学会
  • 触媒学会
■ 共同研究・競争的資金等の研究課題
  • 逆合成解析に基づく高機能ゼオライト触媒の開発
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    2021年04月01日 - 2024年03月31日
    横井 俊之; 中坂 佑太; 尾澤 伸樹
    本研究は下記の3つの項目、研究項目A「ゼオライトナノ空間内での金属種の位置・状態を制御する手法の開発」，研究項目B「反応工学・表面化学・計算化学アプローチの融合による触媒設計」，研究項目C「触媒設計に基づく触媒調製と触媒性能評価」から構成されている．項目Aに関して、Rh種含有ゼオライトにおけるRh種の状態制御に取り組んだ．
    Rhイオン交換Y型ゼオライト（R-Y）とアモルファスシリカ（Rh-ASA）をイオン交換法により調製した．調製したRh種含有触媒は，研究項目B「反応工学・表面化学・計算化学アプローチの融合による触媒設計」により，詳細に構造解析を行った．その結果，Y上では，優先的に孤立したRhカチオン種が形成され，ASA上では，主にRh酸化物が形成されていた．これらの触媒試料のメタン酸化的改質反応に対する触媒性能を評価した．その結果， Rh-Yの触媒寿命はRh-ASAと比較し長寿命であった．これは，孤立Rhカチオン種がゼオライト骨格との静電的相互作用によって粒子の凝集が抑制されたためである．さらに，Rh-Yは分散性が高いため，Rh含有量が少なくても高い触媒活性を示した．これらの実験結果に基づいて，メタン酸化的改質反応におけるRh活性種を明らかにすると主に，活性種の安定化にゼオライト骨格が有効であることを実証した．今後はゼオライトの骨格構造の影響を検討し、Rh種の位置、状態制御を達成していく計画である。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 東京工業大学, 21H01714
  • 遷移金属超微細ナノ粒子を内包したゼオライト触媒の開発と革新的反応の創出
    科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    2019年04月01日 - 2022年03月31日
    増田 隆夫; 吉川 琢也; 中坂 佑太
    遷移金属酸化物の超微細ナノ粒子を反応場とする触媒開発は、未踏の領域であり『新奇な活性種』の発現可能性を秘めている。『遷移金属酸化物の超微細ナノ粒子化』、『超微細ナノ粒子の高ポテンシャルエネルギーを維持』の実現に向け、ゼオライト結晶内に遷移金属酸化物超微細ナノ粒子を内包した新奇触媒の開発に挑戦するとともに、本触媒を用いた革新的反応の創出を目指している。2019年度はまずこれまでに達成している酸化鉄の超微粒子を内包したゼオライトの合成方法を応用することで、酸化鉄を含め5種の遷移金属種を対象に遷移金属酸化物超微細ナノ粒子内包ゼオライトの合成に成功した。これら触媒を用いて、重質油からのオレフィン合成を指向したアルキルベンゼンの分解反応を含め、8種の反応を実施した。その結果、含浸法、イオン交換法で調製したゼオライトでは活性を示さない反応に対して、遷移金属酸化物超微細ナノ粒子を内包したゼオライトのみが特異な活性を示した。これより当研究チームが開発した合成法は様々な遷移金属種の微細なナノ粒子をゼオライトに内包させることが可能な方法であり、遷移金属酸化物超微細ナノ粒子の活性を維持しながら安定に保持できる出来る技術であることを明らかにした。ゼオライトに内包される遷移金属酸化物の粒子径が触媒反応の活性に及ぼす影響を明らかにするため、ゼオライトに内包される酸化鉄の粒子径制御を試みた。内包される酸化鉄のナノ粒子径が制御可能であり、内包させる酸化鉄の微粒子化はアルキルベンゼン分解反応に対し優位であることを明らかにした。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 19H00836
  • ヘテロ原子含有有機物のゼオライト細孔内拡散機構解明
    科学研究費助成事業 基盤研究(C)
    2019年04月01日 - 2022年03月31日
    中坂 佑太; 増田 隆夫
    工業触媒の多くはその粒子内にミクロ・メソ・マクロ孔が階層的に形成しており、実際の触媒反応では、反応物がこの細孔内を拡散することで活性点に到達するため、見かけの反応速度の最大値は粒子内に存在する細孔内部での分子の拡散速度である。バイオマスをはじめ、その分子構造中に酸素などヘテロ原子を含む分子の利活用が期待されているが、ヘテロ原子を分子構造中に含む炭化水素の多孔体細孔内拡散機構に関する研究例はほとんどない。本研究では、申請者らがこれまでに開発した気相、液相、超臨界流体中での多孔質材料細孔内拡散係数測定法を駆使しすることにより、これまでに報告例がほとんどないヘテロ原子を分子構造中に持つ炭化水素のゼオライト結晶内拡散機構を解明することを目的としている。2019年度は、吸着材にMFI型ゼオライトを選定し酸素原子を含む環状炭化水素のゼオライト結晶内拡散係数の測定に取り組んだ。第１四半期では、2019年度の拡散係数測定に用いるMFI型ゼオライト（Silicalite-1やZSM-5）の合成を実施した。気相の拡散係数測定装置を用いてトルエンのSilicalite-1結晶内拡散係数を測定し、既報の拡散係数と概ね等しい値が得られることを確認した。第２四半期からは液相を中心にフェノール等の酸素原子を分子構造中に持つ芳香族化合物を拡散物質に用いMFI型ゼオライト結晶内拡散係数測定を実施した。ZSM-5を用いた測定ではトルエンに比べてフェノールの吸着量が高く、また酸点への吸着の影響によりフェノールの拡散係数が低下することが明らかになった。超臨界流体中での測定は液相に比べて拡散物質濃度測定の難易度が高い。フェノールは常温固体であるために希釈して装置に導入する必要があるため、流体中のフェノール濃度測定が高難度であった。そこで拡散物質を液体で導入可能なアルキルフェノールを対象として検討を進めている。
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 19K05136
  • ゼオライトのframeworkを利用した構造活性種の創成
    科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
    2019年06月28日 - 2021年03月31日
    増田 隆夫; 吉川 琢也; 中坂 佑太
    原子数個からなる金属クラスターや金属の周りに有機配位子が配位した金属錯体は、それ自身が非常に高い活性を有する。その一方、金属クラスターは気相のフリーな空間で不安定であり、その合一により活性低下が生じやすい。また、金属錯体は反応中に錯体自身の分解が徐々に進行する。これらの要因により、金属クラスターや金属錯体の活性を安定に維持することが困難である。本研究は、この問題を解決するために、ゼオライト構造を有するメタロシリケートのナノ空間の制御性を活用し、遷移金属クラスター、錯体をメタロシリケートの細孔内に形成させた新しい構造体の創成に挑戦することで、新しい触媒反応プロセス提案を目指している。2019年度はゼオライト構造を有するメタロシリケートのナノ空間での錯体形成を実施した。まずMFI型および*BEA型の構造を有したアルミを含まないフェリシリケートを水熱合成した。その結果、MFI型と*BEA型の構造についてはフェリシリケート合成に成功したが、FAU型の構造については合成に至っていない。しかし、アルミと鉄が共存したferroaluminosilicateのFAUは合成に概ね成功した。これら合成した試料のイオン交換サイトに鉄を導入し、ついでピリミジン（MFI）、ビピリジン（*BEAとFAU）を有機配位子として導入した。UV-vis測定を実施したところ金属‐配位子に由来するMLCTピークが観測されたことから、細孔内における錯体の形成が示唆される結果を得た。また、ゼオライト骨格中の金属種を変化させることにより細孔内に形成させる錯体の状態を制御できることが示唆された。
    日本学術振興会, 挑戦的研究(萌芽), 北海道大学, 19K22075
  • ゼオライトナノ空間内の触媒活性点の位置制御による高効率資源変換プロセスの構築
    科学研究費助成事業 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
    2018年10月09日 - 2021年03月31日
    横井 俊之; 中坂 佑太; 茂木 堯彦; 津野地 直
    ナノ空間が高度に制御された結晶性多孔質材料であるゼオライトの「触媒能」はシリカ骨格に導入されたヘテロ原子の種類ならびにその導入量により依存する。本研究では新たに“ゼオライト細孔内における「ヘテロ原子の位置」”に着目した。本研究の目的は、ゼオライト細孔内におけるヘテロ原子の位置を特定する構造解析手法の開発、ゼオライト細孔内におけるヘテロ原子の位置を制御する調製手法の開発、ヘテロ原子の位置制御によるゼオライトの触媒性能の劇的な向上である。構造解析分野ではこの分野で世界をリードしているDr. Ute Kolbとの共同研究により達成する。
    2019年度において、研究代表者 横井俊之（東京工業大学）では、Al分布が異なるCHAゼオライト（Si/Al = 10―15）を調製し、構造解析、MTO反応評価を実施した。津野地 直（広島大学）では、ゼオライト転換法によりAl含有量の異なるCHAゼオライト（Si/Al = 10―60）の調製に成功した。この他、構造の影響評価用にLEV、AEI、AFX型のゼオライトを合成した。茂木 堯彦（東京大学）では、メタノール転換反応における同位体過渡応答評価を実施する上での予備検討を実施し、評価条件を決定することができ、2020年度において、横井、津野地グループが調製したサンプルを用い実際に評価を行っていく。中坂 佑太（北海道大学）では、Al含有量の少ないCHAゼオライト（Si/Al = 60）における、MTO条件での速度解析を実施した。また、Dr. Ute Kolb氏と今後の研究計画についてディスカッションを実施し、2020年度、こちらの調製したサンプルの構造解析を実施していくことで合意している。これまで得られたデータを体系化し、ゼオライトナノ空間内の触媒活性点の位置制御による高効率資源変換プロセスの構築につなげていく。
    日本学術振興会, 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B)), 東京工業大学, 18KK0136
  • ZIFsの特異な吸着特性を利用した相間移動吸着剤開発
    科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
    2017年06月30日 - 2019年03月31日
    増田 隆夫; 吉川 琢也; 中坂 佑太
    ZIFsの特異的な吸着特性や吸着速度の制御により新しい分離プロセスの可能性を見出すことに挑戦した．ZIF-8は芳香族化合物および含酸素環状炭化水素を良く吸着する一方，飽和環状炭化水素は吸着が少ないことを明らかにした．ZIF-8粒子径の微小化によりZIF-8への1,4-ジオキサン吸着の吸着平衡到達時間が短くなることを確認した．有機溶媒および水中での1,4-ジオキサンの吸着測定を実施した．溶媒種により環状炭化水素の吸着特性が異なることが明らかになった．本研究から得られた知見に基づき，ZIFsの有機相，水相の相間移動により環状炭化水素を連続的に吸着除去できるプロセスの可能性を見出すことができた．
    日本学術振興会, 挑戦的研究(萌芽), 北海道大学, 17K19001
  • 高圧液相、超臨界相における炭化水素のゼオライト触媒内拡散機構解明
    科学研究費助成事業 若手研究(B)
    2017年04月01日 - 2019年03月31日
    中坂 佑太; 窪田 好浩; 稲垣 怜史; 増田 隆夫
    定容法を用いて溶媒の亜臨界・超臨界条件下における芳香族化合物のゼオライト結晶内拡散係数測定手法を確立した．200℃以上の温度領域ではピュアシリカゼオライト（silicalite-1，Si-beta）結晶内の芳香族化合物の拡散係数は低下し，臨界温度付近で拡散係数が極小値をとった．臨界温度付近では拡散分子‐溶媒分子間のクラスター形成が考えられ，ゼオライト細孔入口での拡散抵抗が大きくなり拡散係数の低下につながったと考えられる．また，ゼオライトの酸量が増えることでトルエンの拡散係数は大きくなったことから，ゼオライト外表面酸点への吸着によりクラスター形成が抑制されたと考えられる．
    日本学術振興会, 若手研究(B), 北海道大学, 17K14856
  • 木質系バイオマス構成基本構造を単離して石油系化学物質を製造する触媒プロセスの開発
    科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    2015年04月01日 - 2018年03月31日
    増田 隆夫; 多湖 輝興; 吉川 琢也; 中坂 佑太
    木質バイオマスの全量を化学原料化する新規プロセスを着想し，低分子リグニンの芳香環骨格を活用し芳香族原料を製造する触媒反応プロセスの基盤技術を開発した．結果，１）メタノールを水素源に用いたPt/Al2O3触媒によるin-situ水素化分解において，フラン環，脂肪族エーテルの分解に成功した．２）p-プロピルフェノールを原料にNH3ガスを用いたゼオライト触媒による水酸基のアミノ化によりエンプラモノマー原料へ誘導可能な芳香族アミンを合成した．３）ベンゼンを溶媒としたゼオライト触媒によるp-プロピルフェノールのトランスアルキル化反応において，フェノールとC3-ベンゼンを併産できることを見出した．
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 15H02314
  • 低品位炭の脱酸素によるクリーンコール化と芳香族ケミカル回収
    科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究
    2015年04月01日 - 2017年03月31日
    増田 隆夫; 中坂 佑太; 吉川 琢也
    本研究では、褐炭などの低品位炭を高品位炭に転換すると共に、芳香族成分を回収する２段階プロセスの開発を実施した。一段目では、水／有機溶媒中での改質を検討し、有機溶媒としてトルエンのような非極性溶媒が適していることを見出した。反応条件の検討により、350℃・2hrにおいて瀝青炭付近の改質炭を収率よく得ることに成功した。二段目では、得られた油相を原料に酸化鉄系触媒による接触分解を実施した。結果、反応により低分子化が進行し、芳香族成分を回収できることが分かった。更に、泥炭を原料に本改質プロセスを実施した。改質後に、亜瀝青炭付近まで品位が向上したことが分かり、泥炭にも適用可能であることを実証した。
    日本学術振興会, 挑戦的萌芽研究, 北海道大学, 15K14218
  • 非在来型原油の軽質燃料化を実現する新規固体酸触媒の開発と反応場の設計
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    2013年04月01日 - 2016年03月31日
    多湖 輝興; 藤墳 裕大; 増田 隆夫; 中坂 佑太
    未利用化石資源の有効利用技術開発が切望されている．非在来型原油の代表例として，オイルサンドビチュメンが挙げられ，その埋蔵量は在来型原油の数倍に達する．一方，我々は，常圧残油の分解軽質化に高活性を示す酸化鉄系触媒を開発した．本研究では，接触分解によるビチュメンの軽質燃料化を目的とし，触媒開発と反応場設計を実施した．酸化触媒であるTi-Fe系触媒，固体酸触媒であるTi-Zr系触媒を開発し，上記触媒による常圧残油とビチュメンの軽質化に成功した．さらに，亜臨界水条件がCoke生成の抑制に優れることを実証すると共に，ランピングモデルによる詳細な速度解析を実施し，ビチュメンの分解反応経路を明らかにした．
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 25289277
  • エマルションを利用する貴金属超微粒子内包バードゲージ型ゼオライト新規合成法の開発
    科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究
    2013年04月01日 - 2015年03月31日
    多湖 輝興; 増田 隆夫; 中坂 佑太
    本研究の目的は，ゼオライト結晶によって金属超微粒子が被覆された，鳥籠型（バードゲージ型）ゼオライトの新規合成法の開発である．ロジウム（Rh）の錯体超微粒子をエマルション中で作製し，同超微粒子を核としてMFIゼオライト層を形成させた．その結果，粒子サイズ約2～3nmのRh超微粒子がMFI型ゼオライトに被覆されたバードケージ型構造を確認した．同微粒子は，500～700℃の高温雰囲気でもRh超微粒子の高い耐シンタリング性を有することが明らかとなった．内包されたRhは酸化還元されることから，分子のアクセスが可能であり，Rh以外にプラチナにおいても同様の構造の材料の合成に成功した．
    日本学術振興会, 挑戦的萌芽研究, 北海道大学, 25630352
  • 非イオン性界面活性剤を用いた単分散ZIF-8の粒径制御と吸着分離への応用
    科学研究費助成事業 若手研究(B)
    2013年04月01日 - 2015年03月31日
    中坂 佑太
    水溶液系において非イオン性界面活性剤を添加したZIF-8結晶の粒径制御を行った．非イオン性界面活性剤を添加し単分散なZIF-8ナノ結晶を合成した．ZIF-8の結晶径は非イオン性界面活性剤のHLB値が大きくなるに伴いZIF-8結晶径は小さくなることを明らかにした．さらにZIF-8合成温度によって粒径を制御可能であることを明らかにした．ZIF-8を用いた炭化水素およびアルコールの吸着特性の評価を行った．吸着分子サイズが小さいものほど高い吸着特性を示した．また、ヘキサンと1-ヘキセンのZIF-8結晶内拡散係数は不飽和結合の有無に依らずほぼ等しいことを明らかにした．
    日本学術振興会, 若手研究(B), 北海道大学, 25820386
  • ゼオライト触媒のナノ結晶を構造性活性点とした精密形状選択反応プロセスの開発
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    2012年04月01日 - 2015年03月31日
    増田 隆夫; 多湖 輝興; 中坂 佑太
    MFI，MOR，MTW，TON型ゼオライトの60～100nmのナノ結晶合成に成功した。これらは、形状選択性を有しながら拡散抵抗が無視小である構造性活性点とみなせる。さらに、ゼオライトの酸点の強度の制御法としてFeを骨格内に導入したMFIとMTWのナノ結晶の合成に成功した。調製したMTWナノ結晶は2メチルナフタレンのメチル化反応に対して、高い活性を示した。この反応を高圧の液相反応とすることで、活性劣化を無視小とすることに成功した。このMTWナノ結晶触媒を積層した構造性触媒膜を得ることに成功した。今後、触媒膜をジメチルナフタレン合成に適用する研究を継続する。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 24360325
  • 多価アルコールからアリル化合物の高収率一段合成を可能とする新規触媒反応場の開発
    科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究
    2012年04月01日 - 2014年03月31日
    増田 隆夫; 多湖 輝興; 中坂 佑太
    本研究の目的は，直鎖多価アルコールから二重結合を有するアリル化合物の直接合成を可能とする触媒反応プロセス開発を行うことである．ジルコニアやアルミナを含有する酸化鉄触媒にカリウムを担持させることで，グリセリンからアリルアルコール生成量を増加させることに成功した．また，水素供与体である蟻酸を多価アルコールと併給することでアリル化合物収率が向上することを明らかにした．さらに，開発触媒はバイオディーゼル合成時に副生する粗製グリセリンからのアリルアルコール生成に対して有効であることを明らかにした．
    日本学術振興会, 挑戦的萌芽研究, 北海道大学, 24656477
  • ナノ結晶ゼオライトの新規サイズ制御法の開発とゼオライト触媒の合理的設計法
    科学研究費助成事業 基盤研究(C)
    2010年 - 2012年
    多湖 輝興; 増田 隆夫; 中坂 佑太
    本研究の目的は,ゼオライトの結晶サイズ制御とナノ結晶ゼオライト触媒の設計法を確立することである.基材となるナノ結晶ゼオライトの調製として,MFI,TON,MOR,BEA,FAU,MTWの各種ゼオライトの合成とサイズの制御に成功した.特に,MFI,MOR,MTW,TONゼオライトに関しては,100ナノメートル程度の結晶,および数マイクロメートルの結晶の調製に成功した.ゼオライトを触媒に用い,グリセリンからのアクロレイン選択合成,および2-メチルナフタレンからの2,6-ジメチルナフタレン選択合成を実施した.アクロレイン合成にはTON型ゼオライトが,2,6-ジメチルナフタレン選択合成にはMFI型とMTW型ゼオライトが優れた選択性を示した.さらに結晶のナノサイズ化は目的生成物選択性の向上のみならず,触媒活性の安定化に大きく寄与することを明らかにした.
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 22560755
■ 産業財産権