鳥屋尾 隆 (トヤオ タカシ)

触媒科学研究所 触媒材料研究部門准教授

研究者基本情報

■ 学位
  • 博士(工学), 大阪府立大学
■ URL
researchmap URLホームページURL■ ID 各種
研究者番号
  • 80775388
J-Global ID■ 研究キーワード・分野
研究キーワード
  • DeNOx
  • CO2 utilization
  • Informatics
  • DFT calculation
  • Catalysis
研究分野
  • ものづくり技術(機械・電気電子・化学工学), 触媒プロセス、資源化学プロセス
■ 担当教育組織

経歴

■ 経歴
経歴
  • 2023年11月 - 現在
    北海道大学, 触媒科学研究所, 准教授
  • 2015年12月 - 2023年10月
    北海道大学, 触媒科学研究所, 助教
  • 2015年10月 - 2015年11月
    日本学術振興会特別研究員(PD)
  • 2013年04月 - 2015年09月
    日本学術振興会特別研究員(DC1)
学歴
  • 2013年04月 - 2015年09月, 大阪府立大学大学院博士後期課程
  • 2011年04月 - 2013年03月, 大阪府立大学大学院博士前期課程
  • 2007年04月 - 2011年03月, 大阪府立大学

研究活動情報

■ 論文
■ その他活動・業績
■ 主な担当授業
  • 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
■ 共同研究・競争的資金等の研究課題
  • 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年 - 2028年
    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
  • サステナブル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
    科学研究費助成事業
    2023年04月01日 - 2026年03月31日
    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。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 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)
    2021年07月09日 - 2025年03月31日
    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))
    2020年10月27日 - 2024年03月31日
    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)
    2020年04月01日 - 2023年03月31日
    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
  • 層状化合物における陽イオン・陰イオン無秩序の化学
    科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
    2020年07月30日 - 2022年03月31日
    陰山 洋; 鳥屋尾 隆
    NaCl、CsCl、CaF2、NiAs、ZnSなどの無機固体の構造のバリエーションは、組成・イオン半径・価数などにより多岐にわたるが、共通して陽イオンと陰イオンが隣り合った規則配列をとる。これはクーロン相互作用から自明である。しかし、研究代表者の陰山は、層状ニクタイド化合物の物質探索の結果、新物質Zr2ZnSb3では、陽イオン(Zn)と陰イオン(Sb)がランダムに分布ことを発見した。陽イオン・陰イオン無秩序の起源解明、無秩序・秩序の操作と新物質設計の基盤構築、陽イオン・陰イオン無秩序構造に由来した電子物性や触媒機能の開発を共同研究者の鳥屋尾と遂行した。
    日本学術振興会, 挑戦的研究(萌芽), 京都大学, 20K21208
  • 二酸化炭素・バイオマスの還元的化学資源化に資する金属/酸化物界面反応場設計
    科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    2017年04月01日 - 2021年03月31日
    清水 研一; 古川 森也; Siddiki Hakim; 鳥屋尾 隆
    天然物から直接入手できる炭素資源 (油脂,カルボン酸,CO2)および,CO2から製造可能な炭素源(メタノール)を入手容易な軽分子(水素,アンモニア,ニトリル)と反応させて,化学品を選択的に合成する下記反応(1)~(8)の構築を目的として研究を継続した。(1) カルボン酸水素化によるアルコール合成。(2) カルボン酸(油脂)水素化によるアルカン合成。(3) メタノールをメチル化剤に用いたサステナブルなC-C結合形成。(4) レブリン酸とニトリルからのラクタム合成。(5) 油脂、NH3からのアミド合成。(6) 油脂、NH3からのニトリル合成。(7) 油脂、NH3、水素からのアミン合成。(8) CO2水素化によるメタノール合成。2017年度には,(2),(4),(3)に有効な触媒を発見し論文報告した。2018年度は,反応(1),(5),(6),(7),(8)に有効な触媒の開発と反応(3)の適用性・汎用性拡張に有効な触媒の開発に成功し,その成果を論文にて発表した。
    具体例として,Pt/ZrO2は種々のトリグリセリドの脂肪族アミン類への変換に有効であった。Hβ-150は種々のトリグリセリドの脂肪族アミドへの変換に有効であった。より高温でHβ-150を用いた上記反応を行うと,種々のトリグリセリドが脂肪族ニトリルへ選択的に変換された。Re/TiO2は水素加圧下で、種々のトリグリセリドの脂肪族アルコールへの変換も有効であった。
    油脂の変換はバイオマスから量産製品(洗剤・シャンプー等)の成分(長鎖アルコール、アミン)を製造するための重要な工業プロセスであるが,従来法はメチルエステル,アミド,ニトリル等を経由する他段階工程で生産されるため,多量の廃棄物を伴う。我々の成果は,油脂を一段階で各種化学品に高収率で変換するはじめての固体触媒法である。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 17H01341
  • 非化石炭素資源の合成化学的変換に有効な不均一系触媒の開発
    科学研究費助成事業 若手研究
    2018年04月01日 - 2020年03月31日
    鳥屋尾 隆
    天然に豊富に存在する非化石炭素資源(CO2、バイオマス)と安価な軽分子(H2、NH3等)との反応により高付加価値な化学品の合成を可能にする固体触媒を開発した。具体的には、下記3種の反応系における、反応開発、触媒開発、メカニズム解析を試みた。
    (1)CO2/H2からのメタノール合成
    (2)カルボン酸水素化によるアルコール合成
    (3)トリグリセリド、H2、NH3からのアミン合成
    反応系(1)については、150℃以下の低温でのメタノール合成に着目し、TiO2にReを担持した触媒(Re(1)/TiO2; Re = 1wt.%)とTiO2担持MoOx担体にPtを担持した触媒(Pt(3)/MoOx(30)/TiO2; Pt: 3 wt%, Mo: 30 wt.%)の2種類の触媒系を開発した。本反応は平衡制約の観点から反応温度の低温化が望まれており、工業的価値が高い。反応系(2)および(3)についても、それぞれ有効な触媒系を開発し、成果を論文にて報告した。また、計算科学的なアプローチも利用して、触媒性能・機能(基質活性化能)と構造(幾何・電子構造)の相関関係をより明確化した。
    新規触媒開発に資する理論化学データの蓄積、データ科学を用いた新しい触媒研究方法の提案にも着手した。具体的には、合金表面上の基質の(解離)吸着エネルギーをDFT計算により算出し、さらにそのデータ群をシンプルな機械学習モデルで予測することに成功した。
    日本学術振興会, 若手研究, 北海道大学, 18K14051
  • 芳香族カルボン酸からのアルコール合成を実現する不均一選択水素化触媒プロセスの開発
    科学研究費助成事業 研究活動スタート支援
    2016年08月26日 - 2018年03月31日
    鳥屋尾 隆
    ReをTiO2に担持した触媒(Re/TiO2)が芳香族環を有するカルボン酸化合物の選択水素化によるアルコール合成に有効であることを見出した。不均一系触媒を用いて、これまで困難とされてきた芳香族環を有するカルボン酸化合物の選択水素化を実現する点が本研究の特筆すべき点である。DFT計算により、ReはCOOH基との相互作用が強く、また、ベンゼンとの相互作用が弱いことが明らかとなった。この相互作用の違いが,本反応におけるRe触媒の高い選択性発現の一因となっていると結論した。
    日本学術振興会, 研究活動スタート支援, 北海道大学, 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
    2013年04月01日 - 2016年03月31日
    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