福島 知宏 (フクシマ トモヒロ)

理学研究院 化学部門 物理化学分野講師

研究者基本情報

■ 学位
  • 博士(工学), 京都大学
■ URL
researchmap URLホームページURL■ ID 各種
研究者番号
  • 50801560
ORCID IDResearcher ID
  • Q-3044-2017
J-Global ID■ 研究キーワード・分野
研究分野
  • ナノテク・材料, エネルギー化学
  • ナノテク・材料, 基礎物理化学
  • ナノテク・材料, 機能物性化学
■ 担当教育組織

経歴

■ 経歴
経歴
  • 2025年10月 - 現在
    Vidyasirimedhi Institute of Science and Technology (VISTEC), Visiting Associate Professor
  • 2023年10月 - 現在
    JSTさきがけ「量⼦・古典の異分野融合による共創型フロンティアの開拓」領域, 研究者
  • 2022年06月 - 現在
    北海道大学, 大学院理学研究院 化学部門, 講師
  • 2019年07月 - 2025年03月
    産業技術総合研究所, 客員研究員
  • 2017年12月 - 2022年06月
    北海道大学 大学院理学研究院 化学部門, 助教
  • 2016年06月 - 2017年11月
    名古屋大学 JST-ERATO 伊丹分子ナノカーボンプロジェクト, 博士研究員
  • 2014年06月 - 2016年05月
    日本学術振興会, 海外特別研究員 (マサチューセッツ工科大学)
  • 2014年04月 - 2014年05月
    京都大学iCeMS, 博士研究員
  • 2011年04月 - 2014年03月
    日本学術振興会 特別研究員 DC1
学歴
  • 2009年04月 - 2014年03月, 京都大学大学院, 工学研究科, 合成・生物化学専攻
  • 2005年04月 - 2009年03月, 京都大学, 工学部, 工業化学科
委員歴
  • 2026年04月 - 現在
    電気化学会 光電気化学研究懇談会, 幹事補佐
  • 2025年05月 - 現在
    ナノ学会, 会誌編集委員
  • 2024年12月 - 現在
    電気化学会 ナノ界面・表面研究懇談会, 常任委員
  • 2021年12月 - 現在
    電気化学会北海道支部, 幹事
  • 2021年11月 - 現在
    応用物理学会ナノカーボン若手チャプター, 幹事
  • 2021年10月 - 現在
    文部科学省 科学技術・学術政策研究所, NISTEP専門調査員
  • 2025年03月
    日本化学会第105春季年会プログラム小委員会 (物理化学反応), 編成委員
  • 2023年11月
    NanoThailand 2023, Scientific Committee
  • 2022年03月
    日本化学会第103春季年会プログラム小委員会 (物理化学反応), 編成委員
  • 2022年03月
    FNTG若手研究会, 実行委員
  • 2019年12月 - 2021年11月
    電気化学会北海道支部, 常任幹事
  • 2021年09月
    2021年電気化学秋季大会, 現地実行委員・事務局
  • 2021年09月
    第15回分子科学討論会, 実行委員
  • 2021年07月
    電気化学会北海道支部50周年事業, 実行委員
  • 2021年01月
    化学系学協会北海道支部2021年冬季研究発表会, 実行委員
  • 2020年01月
    化学系学協会北海道支部2020年冬季研究発表会, 実行委員
  • 2017年12月 - 2019年11月
    電気化学会北海道支部, 幹事
  • 2018年12月
    The 14th Hokkaido University-Nanjing University-NIMS/FMCU Joint Symposium, 実行委員
  • 2010年09月 - 2013年12月
    錯体化学若手の会, 学生世話人

研究活動情報

■ 受賞
  • 2025年10月, The Asian and Oceanian Photochemistry Association, The APA Prize for Young Scientist 2024
  • 2024年03月, 電気化学会 光電気化学研究懇談会, 第20回Honda-Fujishima Prize
  • 2022年09月, 分子科学会, 第15回分子科学会奨励賞
  • 2021年10月, 日本分光学会, 若手講演賞
  • 2014年06月, 2014 Reaxys PhD Prize Finalist
  • 2013年03月, 日本化学会, 学生講演賞
  • 2012年06月, IACIS 2012, Soft Matter Poster Prize
  • 2010年09月, 分子科学会, 優秀ポスター賞
  • 2010年09月, 錯体化学会, ポスター賞
■ 論文
■ その他活動・業績
■ 書籍等出版物
■ 主な担当授業
  • 分子化学(先端物理化学), 2024年, 修士課程, 総合化学院
  • 一般教育演習(フレッシュマンセミナー), 2024年, 学士課程, 全学教育
  • 電気化学, 2024年, 学士課程, 理学部
■ 所属学協会
  • 分子科学会
  • 電気化学会
  • 日本化学会
  • ナノ学会
  • 光化学協会
  • 応用物理学会
  • 日本分光学会
  • フラーレン・ナノチューブ・グラフェン学会
■ 共同研究・競争的資金等の研究課題
  • 強結合状態における電気化学素反応の理解と制御
    科学研究費助成事業
    2026年04月01日 - 2029年03月31日
    福島 知宏
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 26K01452
  • NMRで探る振動強結合下における分子物性
    科学研究費助成事業
    2025年06月27日 - 2027年03月31日
    福島 知宏
    日本学術振興会, 挑戦的研究(萌芽), 北海道大学, 25K22193
  • 強結合による電気化学エネルギー変換学理の革新
    戦略的創造研究推進事業 さきがけ
    2023年10月 - 2027年03月
    福島知宏
    本研究では共振場-物質の量子光学相互作用である強結合により、電気化学エネルギー変換の学理革新を目指します。真空場の局在性、電場強度の制御可能な共振場の創出を行います。水の物性制御を基軸とし、イオン伝導、電極触媒特性変調を分光電気化学的に評価を行い、結合強度の物性変化に与える寄与を明らかとします。また、熱と仕事の分配の強結合効果を検討することで、基礎学理の解明、エネルギー変換への応用を開拓します。
    科学技術振興機構, 北海道大学, 研究代表者, JPMJPR23FB
  • 強結合による電気化学エネルギー変換学理の革新
    2023年 - 2026年
    福島 知宏
    本研究では共振場―物質の量子光学相互作用である強結合により、電気化学エネルギー変換の学理革新を目指します。真空場の局在性、電場強度の制御可能な共振場の創出を行います。水の物性制御を基軸とし、イオン伝導、電極触媒特性変調を分光電気化学的に評価を行い、結合強度の物性変化に与える寄与を明らかとします。また、熱と仕事の分配の強結合効果を検討することで、基礎学理の解明、エネルギー変換への応用を開拓します。
    科学技術振興機構, 戦略的な研究開発の推進/戦略的創造研究推進事業/さきがけ, 23814796
  • ポラリトニック電極の電気化学特性評価
    科学研究費助成事業
    2022年04月01日 - 2025年03月31日
    村越 敬; 福島 知宏; 板谷 昌輝
    金属ナノ構造を二次元配列した表面格子構造を利用することで、Surface Lattice Resonance (SLR) モードを誘起する事が可能となる。色素分子をSLR特性を有する金属ナノ構造配列電極に対して結合させ、ポラリトン状態を観測した。真空場の空間広がりによりコヒーレントな分子数の増大が実現され、結合強度が最大で0.5 程度の値を示す超強結合状態となる系の創出にも成功した。本系においては特徴的な多準位系のポラリトン状態とピークの半値幅としても0.1 eVを下回る先鋭なピークが観測され、SLRに由来した長寿命なポラリトン状態が形成していると考えられる。さらに有機太陽電池にも利用可能な色素においても同様に超強結合状態が観測され、汎用的な色素系に対する電子状態制御が構築可能なプラットフォームの構築に成功した。
    強結合状態における電子移動反応に関して、報告されている理論に基づき、電極ー電解質界面での電子移動反応系への適用を検討した。従来のMarcus理論と同様に電極電位、電子状態密度および再配列エネルギーによってその電子移動速度は変調を受けるが、強結合状態においては仮想励起状態を介した電子移動反応が可能となることが示唆された。さらには、モード体積およびコヒーレントな分子数を設定することにより、強結合状態での特異な電子移動反応速度の加速が示唆された。独自に構築した理論を用いて強結合電極での実験結果の解析を行い、理論の妥当性を検証した。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 23K23291
  • 界面プロトン移動度制御による多電子移動電極反応の高効率化
    科学研究費助成事業
    2022年06月 - 2025年03月
    村越 敬; 福島 知宏; 南本 大穂
    本研究においては水分子と共振場が強く相互作用したポラリトン状態に着目し、界面プロトン移動度制御に基づく多電子移動電極反応の効率化を目指す。共振器中において電解質水溶液のプロトン移動度が一桁上昇したことに端をなしており、共振器構造体を電極―電解質界面へと導入することによって、界面プロトン移動度制御を行い、触媒活性である過電圧低減や反応選択性を導入する試みである。
    4電子移動反応である酸素発生反応を対象として、構造電極の与える効果に関して検討を行った。構造電極の作成はレーザーリソグラフィなどのトップダウンの手法を利用して行い、電気化学応答が十分に計測可能な面積での良好な矩形構造の作成に成功した。これらの構造体は赤外領域においてフォトニックバンドを有していることが明らかとなり、分子振動と共鳴可能な共振器構造体を電極―電解質界面において作成することに成功した。さらには触媒活性の構造依存性を検証するために電気化学電位制御下での顕微観察を導入し、活性の高い電極のスクリーニングが可能であることを実証した。構造電極の光学特性が水のOH伸縮振動と共鳴する場合には触媒活性が加速されることを明らかとした。さらには非緩衝溶液において観測されるOH-の拡散に由来する触媒電流の増大が確認され、従来の共振器において観測されていた界面のイオン移動度の制御が可能となることを実証した。またNi―Fe系触媒の開発も同時に行い、電極構造を保持したままでのFeドーピングによる活性向上も実証した。酸素発生反応の機構解析を網羅的に行うために熱力学―速度論パラメータの機械学習をもととした反応速度解析手法を開発した。これらの手法を利用することにより、実験データと同時に熱力学―速度論パラメータの網羅的探索および反応パスの検証を行うことを可能とした。
    日本学術振興会, 挑戦的研究(開拓), 北海道大学, 研究分担者, 22K18315
  • 振動準位変調によるプロトン伝導特性制御
    科学研究費助成事業
    2021年04月 - 2023年03月
    福島 知宏
    分子の有する振動エネルギーと真空場の光学エネルギーが量子相関を有することで振動ポラリトン状態という分子間にエネルギー相関を有する状態が創出される。特に結合エネルギーが大きいときには振動強結合状態と呼ばれる状態が生じ、近年では熱化学反応のダイナミクスを制御可能な指針として提案されている。振動強結合状態の電気化学系への適用とその原理探索を目的として、本年度は共振器中における水の振動強結合の観測と電解質水溶液のイオン伝導度変調に関して検討を行った。
    分光計測および電気化学計測が適用可能なセルを開発し、電解質水溶液の厚さを数μm程度とした上で、角度依存分光計測を行ったところ、OH伸縮モードが共振器モードと強く結合することが明らかとなった。水の分子濃度に依存して結合強度を弱結合の領域から超強結合領域まで制御可能なことを明らかとした。さらには共振器の厚さを制御して、共振器モードを2,3,4次と制御したところ、超強結合状態下においては、共振器モードに依存して水の水素結合の状態がバルクとは異なることが示唆された(J. Phys. Chem. C, 2021)。
    電気化学交流インピーダンス計測より、共振器中における電解質水溶液のイオン伝導度および誘電率に関して検討を行った。対照実験として、セル定数が同じでありながら、共振モードを有さないセルにおいてはイオン伝導度および誘電率はバルクの物性値と同じであった。一方で共振器中においては、誘電率の向上とイオン伝導度の向上が観測された。特にプロトン伝導度に関しては最大で1桁以上ものイオン伝導度の増大が明らかとなった。
    日本学術振興会, 若手研究, 北海道大学, 研究代表者, 21K14596
  • イオンの自由度を制御する金属ナノ構造複合系の創出
    科学研究費助成事業
    2020年04月 - 2022年03月
    福島 知宏
    蓄電固体界面デバイスの発展に向けて、光の有する自由度を導入し、界面イオニクスの自由度の制御を目的として研究を行っている。特に局在表面プラズモン共鳴を利用した金属ナノ構造ー電解質界面におけるイオン伝導度の光制御および共振場におけるプロトン伝導の精密制御を行った。
    従来の光照射におけるイオン伝導制御においては高エネルギー高強度の光照射が必要不可欠であった。局在表面プラズモン共鳴においては、光に対する高応答性が利用可能であり、光照射に伴い、局在光の電場形成に伴った、反応電子および正孔の生成と熱緩和過程が知られている。金属ナノ構造を配列させた構造上にNafion薄膜を作成した際には薄膜条件が数十ナノメートルの領域において、光照射に応じたイオン伝導度の低下が観測された。波長依存性に関してはLED光源を利用して検討したところ、消光計測で確認されたプラズモン共鳴に従って、イオン伝導度の低下が観測された。このことはイオン伝導度とプラズモン共鳴の間に相関があることを示唆している。
    さらには光照射を必要としない真空場との相互作用を利用したイオン伝導変調も行った。分子の振動エネルギーと真空場の光学モードが一致する際にはポラリトン状態と呼ばれる物質ー真空場の混成状態が生じ、物性革新が生じることが知られている。実際に振動エネルギーと結合可能な共振器を作成し、振動強結合状態としたところ、イオン伝導度が増大することが確認された。
    上記にあるように場の光学モードとイオン伝導体を相互作用させることにより、イオニクス物性が制御可能となることが示された。本研究で得られた成果をもとに、蓄電固体界面でのイオニクス物性の革新を目指す。
    日本学術振興会, 新学術領域研究(研究領域提案型), 北海道大学, 研究代表者, 20H05281
  • 金属錯体ネットワークを基盤とする非平衡材料の創成
    海外特別研究員
    2014年06月 - 2016年05月
    福島 知宏
    日本学術振興会, 研究代表者, 競争的資金
  • 動的な配位空間の精密制御による協同的分子吸着システムの創成
    科学研究費助成事業 特別研究員奨励費
    2011年04月 - 2014年03月
    福島 知宏
    同位体効果とは、その分子の一部の構成要素を同位体原子に置換した時にその諸物性に与える影響を指し、化学反応においては大きな効果を示すことが古くから知られている。一方で、電子物性や分子認識において同位体効果がほとんど生じないことが知られている。これは重元素によって誘起される、ゼロ点エネルギーの差が非常に小さいことに由来する。仮にこれらを達成することができれば、基礎的な知見だけではなく、同位体センサーや分離などの応用に向けた発展が期待できる。そこで、私は金属イオンと架橋配位子によって規則性構造を構築する多孔性金属錯体に着目し、研究を行った。
    多孔性金属錯体によって誘起されるゲストのクラスター化現象を分子認識へと応用した。原子核の量子性により、分子間相互作用を通じてクラスター化の駆動力が異なるために、分子認識に応用できると考えた。実際にこのような考えのもと、同位体混合系からの実験を試みたところ、蒸留や電気分解などに代表される従来の手法よりも高い分子選択性が観測された。この成果に関しては現在論文投稿中である。
    多孔性金属錯体によって形成される交互積層構造を利用し、電子状態の違いを誘起することにも成功した。ホスト骨格内部の表面上にパイ電子を露出している芳香環を利用し、ゲスト分子との間でのAAB型交互積層構造を形成した。ゲスト分子の幾何学的同位体効果を利用することで吸着構造に違いを誘起し、結果として紫外可視吸収スペクトルに大きな差を出すことに成功した。この電子状態の違いに関して固体NMRから検討を行ったところ、ホストゲストでの電子のやりとりの違いが、同位体効果によって誘起されるということが明らかとなった。この成果に関しては現在論文執筆中である。
    日本学術振興会, 特別研究員奨励費, 京都大学, 研究代表者, 11J02365
■ 産業財産権
  • D2Oおよび/またはHDOを濃縮した水の製造方法および製造装置
    特許権, 村越 敬; 南本 大穂; 福島 知宏, 国立大学法人北海道大学
    特願2019-036217, 2019年02月28日
    特開2020-138159, 2020年09月03日
    特許第7359409号, 2023年10月02日
    202303005062981951
  • D2Oおよび/またはHDOを濃縮した水の製造方法および製造装置
    特許権, 村越 敬; 南本 大穂; 福島 知宏, 国立大学法人北海道大学
    特願2019-036217, 2019年02月28日
    特開2020-138159, 2020年09月03日
    202003011676332427
  • スルホンイミド化芳香族化合物の製造方法
    特許権, 伊丹 健一郎; 村上 慧; 伊藤 江里; 川上 貴大; 福島 知宏, 国立大学法人名古屋大学
    特願2017-044350, 2017年03月08日
    特開2017-218443, 2017年12月14日
    201703018904035240
  • 金属錯体及びその製造方法
    特許権, 犬伏 康貴; 三津家 由子; 岸田 圭輔; 西口 靖子; 北川 進; 堀毛 悟史; 福島 知宏, 株式会社クラレ, 国立大学法人京都大学
    特願2010-153928, 2010年07月06日
    特開2012-017268, 2012年01月26日
    特許第5649342号, 2014年11月21日
    201503084622992436
  • 金属錯体及びそれからなる分離材
    特許権, 犬伏 康貴; 北川 進; 堀毛 悟史; 福島 知宏, 株式会社クラレ, 国立大学法人京都大学
    特願2009-249618, 2009年10月30日
    特開2011-068631, 2011年04月07日
    特許第5574669号, 2014年07月11日
    201403044194937680
  • 金属錯体及びその製造方法
    特許権, 犬伏 康貴; 三津家 由子; 岸田 圭輔; 西口 靖子; 北川 進; 堀毛 悟史; 福島 知宏, 株式会社クラレ, 昭栄化学工業株式会社, 昭和電工株式会社, 東洋紡績株式会社, 国立大学法人京都大学
    特願2010-153928, 2010年07月06日
    特開2012-017268, 2012年01月26日
    201203046883860641
  • 金属錯体及びそれからなる分離材
    特許権, 犬伏 康貴; 北川 進; 堀毛 悟史; 福島 知宏, 株式会社クラレ, 国立大学法人京都大学
    特願2009-249618, 2009年10月30日
    特開2011-068631, 2011年04月07日
    201103015411188680