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Toyao Takashi

Institute for Catalysis　Catalyst Material Research DivisionAssociate Professor

Researcher basic information

■ Degree
  • 博士（工学）, 大阪府立大学
■ URL
researchmap URLホームページURL■ Various IDs
Researcher number
  • 80775388
J-Global ID■ Research Keywords and Fields
Research Keyword
  • DeNOx
  • CO2 utilization
  • Informatics
  • DFT calculation
  • Catalysis
Research Field
  • Manufacturing Technology (Mechanical Engineering, Electrical and Electronic Engineering, Chemical Engineering), Catalyst and resource chemical process
■ Educational Organization

Career

■ Career
Career
  • Nov. 2023 - Present
    Hokkaido University, Institute for Catalysis, Associate Professor
  • Dec. 2015 - Oct. 2023
    Hokkaido University, 触媒科学研究所, 助教
  • Oct. 2015 - Nov. 2015
    日本学術振興会特別研究員（ＰＤ）
  • Apr. 2013 - Sep. 2015
    日本学術振興会特別研究員（ＤＣ１）
Educational Background
  • Apr. 2013 - Sep. 2015, 大阪府立大学大学院博士後期課程
  • Apr. 2011 - Mar. 2013, 大阪府立大学大学院博士前期課程
  • Apr. 2007 - Mar. 2011, Osaka Prefecture University

Research activity information

■ Papers
■ Other Activities and Achievements
■ Syllabus
  • 総合化学特論Ⅰ (Modern Trends in Physical and Material Chemistry), 2024年, 修士課程, 工学院
  • 総合化学特論Ⅰ(Modern Trends in Physical and Material Chemistry), 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
  • 応用分子化学Ａ（触媒設計）, 2024年, 修士課程, 総合化学院
  • 先端総合化学特論Ⅰ, 2024年, 博士後期課程, 総合化学院
  • 総合化学特論Ⅰ (Modern Trends in Physical and Material Chemistry), 2024年, 博士後期課程, 工学院
  • 応用化学学生実験Ⅱ, 2024年, 学士課程, 工学部
■ Research Themes
  • 外挿的探索が可能な機械学習を用いた未踏触媒空間の探索
    2022 - 2028
    鳥屋尾 隆
    申請者らが独自に開発した、“化学・材料科学における外挿的探索”を可能とする機械学習手法を活用し、未踏探索空間に存在する革新的な固体触媒を創出します。本機械学習手法では元々のデータセットに含まれている元素に縛られることなく有望な触媒候補元素を提案することが可能であり(外挿的探索)、既存研究の延長線上にない真に革新的な高機能触媒の発見が期待できます。
    科学技術振興機構, 戦略的な研究開発の推進/創発的研究支援事業, 21465774
  • Development of Solid Catalysts for Sustainable Carbon Resource Utilization
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2023 - 31 Mar. 2026
    鳥屋尾 隆
    2023年度は、本研究の目的である、サステナブルな炭素資源の還元的化学資源化を実現する固体触媒の開発に向けて、実験及び理論計算を組み合わせた研究を行った。具体的には、新規な不均一系触媒を合成し、それを用いた還元的化学資源化反応を行った。加えて、いくつかの触媒反応系に対して、オペランド分光を用いた解析を通した反応機構解析を行った。特に、X-ray absorption spectroscopy (XAS)測定、X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)測定からは触媒活性種の酸化還元特性を、Diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS)測定からは触媒表面吸着種の情報を得た。その際、分光法におけるシグナル/ノイズ(S/N)比を劇的に向上させ、物理・化学現象の動的過程に関与する種を選択的に解析することのできる強力な手法であるModulation Excitation (ME)法も用いた。理論計算では、反応雰囲気や温度の影響を計算結果に導入できる第一原理熱力学法等を活用することで実条件に即した理論計算を行った。現代の計算化学で一般的に用いられる手法は、温度や圧力等の条件を考慮しないため、物質のダイナミクスが重要となる触媒分野、特に、本課題のように高圧条件下で活性種の動的挙動捉える必要のある研究では反応条件を加味した計算が必須となる。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 23K26690
  • 化学における外挿探索を可能とする機械学習手法の開発と実証
    科学研究費助成事業 挑戦的研究(開拓)
    09 Jul. 2021 - 31 Mar. 2025
    鳥屋尾 隆
    触媒をはじめとする材料化学研究は未だ「絨毯爆撃的なスクリーニング」から脱却できていない。研究者はこれまで、大量の実験データ・文献知・経験知を統合して、予測・仮説の形成を行ってきたが、年々増え続ける膨大なデータ・知見を咀嚼し、目的に対して適切な仮説を提供できる人材は皆無である。人知に基づく研究は限界を迎えており、データ科学の先進技術を導入して材料化学研究の在り方を刷新することが求められている。本研究では、外挿的提案を実現する機械学習モデルを開発し、革新的な高機能触媒の創出に資する研究方法論の提案を目指している。
    初年度は、文献データを用いて、外挿的提案を実現する機械学習モデルの構築を目指した。構築したモデルでは、触媒構成元素そのものを学習に使うのではなく、その特徴量(原子半径、電気陰性度、融点等)と構成比の積を予測記述子(Elemental Descriptor)として用いることで、元々のデータセットに含まれている元素に縛られることなく有望な触媒候補元素を提案することが可能である。また、実際の触媒組成を提案する逆問題を解くためのアルゴリズムも作成し、新触媒の提案にも挑戦した。
    予測だけでなく、機械学習モデルから化学的/物理的な示唆を得ることにも挑戦した。機械学習予測はしばしばブラックボックスと見られるが、解釈性の高い(教師あり)機械学習手法を使えば、対象系における性能制御因子(記述子)の重要度を半定量的に可視化することが可能である。
    日本学術振興会, 挑戦的研究(開拓), 北海道大学, 21K18185
  • Operando ME分光に立脚した固体触媒反応場の設計と創出
    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))
    27 Oct. 2020 - 31 Mar. 2024
    鳥屋尾 隆
    Modulation Excitation (ME)法は分光法におけるシグナル/ノイズ(S/N)比を劇的に向上させ、物理・化学現象の動的過程に関与する種を選択的に解析することのできる強力な手法である。本研究では、このME分光と、触媒動作条件下で触媒の分光学的評価と触媒活性・選択性の測定を同時に行う手法と定義されているOperando観測とを組み合わせることで二酸化炭素の水素化反応や排ガス浄化反応の機構研究を行い、触媒反応場の設計指針確立を目指している。
    2021年度は、前年度からの継続として、すでに開発済みの触媒について、XAS、IR、Raman分光を用いて機構解析を行い、触媒表面に形成される触媒活性種および反応中間体の挙動を調査した。触媒表面に形成されるギ酸種が重要な役割を果たしていることがわかった。
    加えて、理論計算からも重要な知見を得た。現代の計算化学で一般的に用いられる手法は、温度や圧力等の条件を考慮しないため、物質のダイナミクスが重要となる触媒分野、特に、本課題のように高圧条件下で活性種の動的挙動捉える必要のある研究では反応条件を加味した計算が必須となる。そこで本研究では反応雰囲気や温度の影響を計算結果に導入できる第一原理熱力学法、マイクロキネティクスモデリング等を活用することで実条件に即した理論計算を行った。
    これら検討により、触媒性能・機能(基質活性化能)と構造(幾何・電子構造)の相関関係を明確化することができ、触媒設計指針を確立した。
    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)), 北海道大学, 20KK0111
  • 二酸化炭素を原料とする高難度分子変換に有効な不均一系触媒の開発
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    01 Apr. 2020 - 31 Mar. 2023
    鳥屋尾 隆
    本研究では、二酸化炭素(CO2)と安価な他分子との一段階反応により高付加価値な化学品合成を可能にする固体触媒を開発することを目的としている。これら反応系に対して、種々の(in situ/operando)分光法、計算化学的なアプローチを利用して、触媒性能・機能(基質活性化能)と構造(幾何・電子構造)の相関関係を明確化する。それらの知見を新触媒の設計や成果の体系化に利用し、当該分野の学術基盤を確立する。
    本年度は、前年度に見出した触媒の幾何・電子構造を詳細に調査した。特に、触媒動作条件下で触媒の分光学的評価と触媒活性・選択性の測定を同時に行う手法と定義されているOperando技術を活用したXAS、IR、Raman分光法により機構解析を行い、触媒表面に形成される触媒活性種および反応中間体の挙動を調査した。その際、シグナル/ノイズ(S/N)比を劇的に向上させ、物理・化学現象の動的過程に関与する種を選択的に解析することのできるModulation Excitation (ME)法も用いた。
    また、反応雰囲気や温度の影響を計算結果に導入できる第一原理熱力学法、マイクロキネティクスモデリング等を活用することで実条件に即した理論計算を行い、理論的な裏付けを得た。 現代の計算化学で一般的に用いられる手法は、温度や圧力等の条件を考慮しないため、物質のダイナミクスが重要となる触媒分野では反応条件を加味した計算が必須である。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 20H02775
  • Anion-cation disorder in a layered material
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    30 Jul. 2020 - 31 Mar. 2022
    Kageyama Hiroshi
    The structural variations of inorganic solids such as NaCl, CsCl, CaF2, NiAs, and ZnS vary widely in composition, ionic radius, and valence, but they all share a common regular arrangement of cations and anions next to each other. This is obvious from the Coulomb interaction. However, in a material search for layered nictide compounds, principal investigator Kageyama discovered that cations (Zn) and anions (Sb) are randomly distributed in a new ternary material, Zr-Zn-Sb. He and co-researcher Toryao carried out the elucidation of the origin of cation and anion disorder, the manipulation of disorder and order and the establishment of the basis for the design of new materials, and the development of electronic properties and catalytic functions derived from the cation and anion disordered structures.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory), Kyoto University, 20K21208
  • Design of metal/oxide interface for reductive conversion of carbon dioxide and biomass into chemicals
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
    01 Apr. 2017 - 31 Mar. 2021
    Kenichi Shimizu
    We developed effective catalytic methods for the following reactions (1) to (8) to selectively synthesize chemicals by reacting carbon resources that can be obtained directly from natural products and CO2 with easily available light molecules: (1) Alcohol synthesis by hydrogenation of carboxylic acid, (2) Alkane synthesis by hydrogenation of carboxylic acid (fat), (3) C-C bond formation using methanol as a methylating agent, (4) Lactam synthesis from levulinic acid and nitrile, (5) Amide synthesis from fats and oils and NH3, (6) Nitrile synthesis from fats and oils and NH3, (7) Amine synthesis from fats and oils, NH3, and hydrogen, (8) Methanol synthesis by CO2 hydrogenation.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Hokkaido University, 17H01341
  • Development of heterogeneous catalysts for synthetic applications of renewable carbon resources
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
    01 Apr. 2018 - 31 Mar. 2020
    Toyao Takashi
    Heterogeneous catalytic processes that enables the synthesis of high value-added chemicals by reacting naturally abundant sustainable carbon resources (CO2, biomass, etc.) with inexpensive light molecules (H2, NH3, etc.) have been developed. Specifically, we conducted reaction development, catalyst development, mechanism analysis in the following reaction system, and reported the results in a paper.
    (1) Methanol synthesis from CO2 / H2
    (2) Amine synthesis from triglyceride, H2, NH3
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Early-Career Scientists, Hokkaido University, 18K14051
  • Development of heterogeneous catalystic processes for hydrogenation of carboxylic acids containing aromatic rings to corresponding alcohols
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Research Activity start-up
    26 Aug. 2016 - 31 Mar. 2018
    Toyao Takashi
    We have found that a catalyst (Re / TiO2) supporting Re on TiO2 is effective for alcohol synthesis by selective hydrogenation of a carboxylic acid compound having an aromatic ring. The point of realizing the selective hydrogenation of a carboxylic acid compound having an aromatic ring, which has been regarded as difficult by using a heterogeneous catalyst, is a remarkable point of this research. In situ measurements of various spectroscopy methods, in particular FT-IR, Raman, XPS and XAFS, were conducted to examine the state of Re in detail. DFT calculation revealed that Re strongly interacted with -COOH group and weak interaction with benzene. We concluded that this difference in interaction contributes to the high selectivity of Re catalyst in this reaction.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Research Activity start-up, Hokkaido University, 16H06595
  • 多孔性金属錯体（ＭＯＦ／ＰＣＰ）の精密設計による新規色素増感太陽電池の構築
    科学研究費助成事業 特別研究員奨励費
    01 Apr. 2013 - 31 Mar. 2016
    鳥屋尾 隆
    最終年度は、多孔性金属錯体を光電極として応用することを目的として、これまでに合成を行ってきたMOFを用いて光電極を作製し、その電極特性を評価した。
    光電極の作製は、可視光吸収特性を示すFe系酸化物クラスターを有するMOF (Fe-MOF)を透明導電性電極にドロップキャストすることで行った。作製したFe-MOF光電極を用いて、水からの酸素生成反応を行ったところ、可視光照射下で効率の良い酸素の生成が確認された。特に、MIL-101型の構造を有するFe-MOFを用いた際に最も高い活性が得られることがわかった。本成果をまとめた国際論文を現在登校中である。今後の展開としては、さらに長波長の光に対して応答するMOF光電極を設計するとともに、水素生成系と組み合わせることで水の完全分解を通して水素と酸素を発生できる新規な光デバイスの開発が期待される。
    その他にも、MOF材料を用いた新規な触媒開発及び触媒反応系の開発を行い、上記とは他に国際論文を2件発表した。1件目は、不均一系Photoredox触媒の開発を目的として、有機リンカーにポルフィリンユニットを有するMOF (Zr-MOF-TCPP)を調製し、可視光照射下でのフェニルボロン酸からフェノールへのヒドロキシル化反応への応用を検討した。2件目はCO2固定化反応である環状カーボネート合成に有効な酸点と塩基点を骨格内に有する新規触媒材料の開発を目指し、MOFの発展材料の1つであるZeolitic Imidazolate Framework (ZIF)を前駆体に用いた金属内包窒素含有カーボン触媒の合成を行った。
    今後も、これまでに得られた電子移動メカニズム関する知見および新規な可視光応答型MOF光触媒や光電極を用いて新規な光電変換デバイスの開発を推進する。また、得られた成果についても論文投稿等の外部発表を積極的に行っていく。
    日本学術振興会, 特別研究員奨励費, 大阪府立大学, 13J09950