2025/08/26 更新

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マエダ ノブタカ
前田 修孝
MAEDA NOBUTAKA
所属
カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所 マルチスケール構造科学ユニット 准教授
職名
准教授
連絡先
メールアドレス
電話番号
0928026866

研究分野

  • ナノテク・材料 / グリーンサステイナブルケミストリー、環境化学

学位

  • 博士(工学)

経歴

  • 2007年 4 月 1 日 〜 2008 年 3 月 31 日 山梨大学クリーンエネルギー研究センター燃料電池部門、博士研究員(指導教員: 渡辺政廣 教授) 2008年4月1日 〜 2009 年 12 月31日 スイス連邦工科大学 、博士研究員(指導教員:Alfons Baiker教授) 2010年1月15日〜 2011年1月15日 イタリア工科大学、 シニア博士研究員 (指導教員:Liberato Manna教授) 2011年2月1日〜 2012年9月30日 スイス連邦工科大学 、博士研究員、兼サブグループリーダー 触媒・分光グループ (指導教員:Konrad Hungerbuhler教授) 2013年1月 9 日 〜 2019年2 月 28 日 大連理工大学 環境学院、准教授 2016年10月1日〜 2018年12月31日 大連化学物理研究所 金触媒研究センター 教授(上記、准教授職と正規雇用で兼任) 2019年4月 1 日 〜 2020年1 月 31 日 九州大学カーボンニュートラルエネルギー研究センター、WPI特任准教授(指導教員:山内美穂教授) 2020年4月1日〜2023年6月30日 チューリッヒ応用科学大学、シニア研究員、兼チームリーダー 触媒・分光チーム   

学歴

  • 神奈川大学   工学研究科   応用科学専攻

    2004年4月 - 2007年3月

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    国名:日本国

    備考:博士課程

  • 神奈川大学   工学研究科   応用科学専攻

    2002年4月 - 2004年3月

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    国名:日本国

    備考:修士課程

  • 神奈川大学   工学部   応用化学科

    1998年4月 - 2002年3月

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    国名:日本国

研究テーマ・研究キーワード

  • 研究テーマ: その場・オペランド分光法のカーボンニュートラル物質変換研究への応用

    研究キーワード: 変調励起分光法、二酸化炭素転換

    研究期間: 2024年4月 - 2030年3月

論文

  • Development of Modulation–Excitation Synchrotron Small-Angle X-Ray Scattering with Subnanometer Resolution

    The Journal of Physical Chemistry C   2025年8月

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  • CO<sub>2</sub> Capture and Reduction to CO in the Presence of CO over In-Cs/ZrO<sub>2</sub> Dual-Functional Materials

    Xie, YX; Miyazaki, S; Li, LC; Li, K; Wang, F; Oda, A; Satsuma, A; Al Abdulghani, AJ; Maeda, N; Anzai, A; Toyao, T; Shimizu, KI

    ACS CATALYSIS   15 ( 14 )   12048 - 12062   2025年6月   ISSN:2155-5435 eISSN:2155-5435

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:ACS Catalysis  

    CO<inf>2</inf> exhaust mixed with large amounts of CO from the steel and petroleum industries, as a major source of greenhouse gases, can be a promising renewable carbon resource. However, the reduction of CO<inf>2</inf> under excess CO is thermodynamically limited by the reverse water gas shift (RWGS) reaction. Herein, we report a CO<inf>2</inf> capture and reduction (CCR) system for continuous conversion of CO<inf>2</inf>/CO mixture into high-concentration CO. Screening tests of various dual functional materials (DFMs) show that indium and cesium-coloaded ZrO<inf>2</inf> (In-Cs/ZrO<inf>2</inf>) serves as the best DFM for the selective reduction of CO<inf>2</inf> to CO under cyclic feeds of CO<inf>2</inf>/CO ↔ H<inf>2</inf> at 350 °C. Operando IR and model reaction tests show that the higher CO yield of In-Cs/ZrO<inf>2</inf> compared to the other noble metal (Pt, Pd, Ru, Rh)-based DFMs was due to the lower activity of In-Cs/ZrO<inf>2</inf> in the disproportionation of CO into carbon and CO<inf>2</inf>. Continuous cyclic reactions with an In-Cs/ZrO<inf>2</inf>-based double-reactor under the CO-excess (10% CO<inf>2</inf>/80% CO/10% He ↔ 100% H<inf>2</inf>) conditions at 550 °C for 1000 min (250 cycles) showed a CO yield of 51% (based on the total amount of inlet CO<inf>2</inf>). Operando In K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) and UV-vis spectroscopy show that In<inf>2</inf>O<inf>3</inf> species are reduced by H<inf>2</inf> to yield reduced In species that are reoxidized by CO<inf>2</inf> to regenerate In<inf>2</inf>O<inf>3</inf>. However, the main CO formation route is not based on the redox mechanism. Operando IR analysis with modulation excitation spectroscopy (MES) showed that Cs species are responsible for CO<inf>2</inf> capture and carbonate formation, while reduced In species are responsible for the H<inf>2</inf> reduction of carbonates to CO via formate intermediates.

    DOI: 10.1021/acscatal.5c02675

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  • Reaction Mechanism Revisited: Oxidation of Propylene on a Supported Palladium Catalyst 査読

    Mikami, H; Tsuchiya, H; Maeda, N

    LANGMUIR   41 ( 18 )   11733 - 11736   2025年4月   ISSN:0743-7463 eISSN:1520-5827

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Langmuir  

    Achieving the complete oxidation of hydrocarbons in automobile exhaust requires a firm understanding of the reaction mechanisms. We investigated catalytic oxidation of C<inf>3</inf>H<inf>6</inf> on Pd/La-Al<inf>2</inf>O<inf>3</inf> as a model reaction using in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) in combination with a transient method, i.e., modulation excitation spectroscopy. A conventional steady-state DRIFTS study demonstrated the formation of surface formate and acetate species, which have been considered to be reaction intermediate species. However, MES-DRIFTS overturned the previously considered mechanism and suggested an involvement of newly discovered acyl species as a potential intermediate species.

    DOI: 10.1021/acs.langmuir.5c01016

    Web of Science

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    その他リンク: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.5c01016

  • Surface Dynamics and Size Sensitivity of Pt-Catalyzed Methane Oxidation Probed by Modulation-Excitation X-ray Absorption Spectroscopy

    Al Abdulghani, AJ; Qian, YC; Shimizu, K; Sugiyama, T; Maeda, N

    JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS   16 ( 18 )   4474 - 4479   2025年4月   ISSN:1948-7185 eISSN:1948-7185

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Journal of Physical Chemistry Letters  

    In situ X-ray absorption spectroscopy (XAS) is a powerful tool to probe the electronic and structural properties of materials under operating conditions. However, its bulk-sensitive nature often obscures the surface-specific dynamics critical to understanding catalytic processes. We herein demonstrate successful extraction of surface dynamics from bulk XAS spectra by applying modulation excitation spectroscopy to XAS (ME-XAS). Methane oxidation over Pt/Al<inf>2</inf>O<inf>3</inf> was chosen as a model reaction to verify the strength of ME-XAS for extracting surface dynamics of Pt nanoparticles of different sizes. ME-XAS spectra revealed that during methane oxidation, only surface Pt atoms were repeatedly oxidized and reduced while the bulk Pt remained mostly metallic. Samples with low Pt loadings were more oxidizable and showed lower methane oxidation activity, in line with metallic Pt being more active for methane dissociation than Pt oxides. This study underscores the potential of ME-XAS to enhance our understanding of surface-bulk dynamics and rationalize catalytic phenomena, offering a pathway to the development of more efficient and selective catalysts.

    DOI: 10.1021/acs.jpclett.5c00380

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  • Toward Low-Temperature Regeneration of CO<sub>2</sub> Capture Adsorbents: Functionalization of Polyethylenimine

    Al Abdulghani, AJ; Weisshar, F; Hack, J; Fajar, ATN; Lambard, G; Maeda, N

    ACS SUSTAINABLE CHEMISTRY & ENGINEERING   13 ( 17 )   6325 - 6332   2025年4月   ISSN:2168-0485 eISSN:2168-0485

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:ACS Sustainable Chemistry and Engineering  

    This study aimed to design materials for CO<inf>2</inf> capture with low regeneration temperatures without compromising the adsorption capacity (AC). Branched polyethylenimine (BPEI) functionalized with acrylonitrile (AN), 2-ethylhexyl acrylate (EHA), and butyl acrylate (BA) was impregnated onto fumed silica and tested for its adsorption and desorption properties. Higher functionalization degrees led to decreased desorption temperatures (DTs) from 73 to 97 °C to as low as 25 °C, which was attributed to the higher percentages of secondary amines upon functionalization and changes in the CO<inf>2</inf> adsorption mechanism. However, the adsorption capacities also decreased with functionalization. Bayesian optimization using machine learning models predicted optimal compositions of adsorbents for high adsorption capacities at low regeneration temperatures. The isothermal operation of CO<inf>2</inf> capture and release was also demonstrated to lower the energy requirement for CO<inf>2</inf> capturing systems. The functionalized BPEI materials steadily adsorb and release CO<inf>2</inf> for 20 cycles under isothermal conditions without any deterioration of the performance. BPEI 10,000 functionalized with AN, EHA, and BA offers a promising balance between AC and DT, making it suitable for industrial applications.

    DOI: 10.1021/acssuschemeng.5c01250

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  • <i>In situ</i>/<i>operando</i> spectroscopic evidence on associative redox mechanism for periodic unsteady-state water-gas shift reaction on Au/CeO<sub>2</sub> catalyst

    Zhang, NQ; Li, LC; Jing, Y; Qian, YC; Chen, DT; Maeda, N; Murayama, T; Toyao, T; Shimizu, KI

    JOURNAL OF CATALYSIS   433   115500 - 115500   2024年5月   ISSN:0021-9517 eISSN:1090-2694

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Journal of Catalysis  

    Cyclic and repeatable CO<inf>2</inf>/H<inf>2</inf> formation under periodic CO ↔ H<inf>2</inf>O feeds, that is unsteady-state water–gas shift reaction (uss-WGS), was found to be catalyzed by a gold nanoparticles-loaded CeO<inf>2</inf> (Au/CeO<inf>2</inf>) catalyst. Kinetics of the CO-reduction of Ce<sup>4+</sup> to Ce<sup>3+</sup> and Ce<sup>3+</sup> reoxidation by H<inf>2</inf>O in combination with transient CO<inf>2</inf>/H<inf>2</inf> formation over Au/CeO<inf>2</inf> were studied by operando ultraviolet–visible (UV–vis) and infrared (IR) spectroscopies at 175 °C. The Ce<sup>4+</sup>–OH species were reduced by CO to give Ce<sup>3+</sup>-□-Ce<sup>3+</sup> (□: oxygen vacancy) and gas phase products (H<inf>2</inf>, CO<inf>2</inf>). The Ce<sup>3+</sup>-□-Ce<sup>3+</sup> species were oxidized by H<inf>2</inf>O to give H<inf>2</inf> and Ce<sup>4+</sup>–OH species. The reduction and reoxidation rates of Ce<sup>4+</sup>/Ce<sup>3+</sup> redox couple were close to the rates of transient CO<inf>2</inf>/H<inf>2</inf> formation. The X-ray absorption spectroscopy results showed that the oxidation states of Au remained unchanged during the redox reactions. These results indicate that the uss-WGS is primary driven by the Ce<sup>4+</sup>/Ce<sup>3+</sup> redox couple. Combined with the observation of adsorbed carboxylate intermediates as a precursor of H<inf>2</inf> and CO<inf>2</inf>, associative redox mechanism is proposed as the main pathway for the unsteady-state WGS reaction on Au/CeO<inf>2</inf> at 175 °C.

    DOI: 10.1016/j.jcat.2024.115500

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  • Investigation of CO2-Sorption Characteristics of Readily Available Solid Materials for Indoor Direct Air Capturing

    Lukas Baus, Sascha Nehr, Nobutaka Maeda

    Indoor Air   2023   1 - 8   2023年7月   ISSN:0905-6947 eISSN:1600-0668

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Hindawi Limited  

    Direct air capturing (DAC) is an energy demanding process for CO2-removal from air. Ongoing research focuses on the potential of indoor air as DAC-feed to profit from currently unused energetic synergies between DAC and the built environment. In this work, we investigated the performance of three different readily available, solid DAC-adsorbers under typical indoor environmental conditions of 16-25°C, 25-60% relative humidity (RH), and CO2-concentrations of less than 800 ppm above atmospheric concentrations. The measured mass-specific CO2-adsorption capacities of K2CO3-impregnated activated carbon, polyethylenimine-snow (PEI-snow), and polyethylenimine (PEI) on silica amount to 6.5±0.3 mg g−1, 52.9±4.9 mg g−1, and 56.9±4.2 mg g−1, respectively. Among the three investigated adsorber materials, PEI on silica is the most promising candidate for DAC-applications as its synthesis is rather simple, the CO2-desorption is feasible at moderate conditions of about 80°C at 100 mbar, and the competing co-adsorption of water does not strongly affect the CO2-adsorption under the investigated experimental conditions.

    DOI: 10.1155/2023/8821044

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    その他リンク: http://downloads.hindawi.com/journals/ina/2023/8821044.xml

  • In Situ Attenuated Total Reflection Infrared Spectroscopic Monitoring of Supercritical CO2 Extraction for Green Process Applications

    Robert Sterchi, Nobutaka Maeda, Stefan Keller, Beat Zehnder, Daniel M. Meier

    Industrial & Engineering Chemistry Research   62 ( 8 )   3828 - 3832   2023年2月   ISSN:0888-5885 eISSN:1520-5045

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Chemical Society (ACS)  

    DOI: 10.1021/acs.iecr.2c03558

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  • Review on CO2 Capture Using Amine-Functionalized Materials

    Jannis Hack, Nobutaka Maeda, Daniel M. Meier

    ACS Omega   7 ( 44 )   39520 - 39530   2022年10月   ISSN:2470-1343 eISSN:2470-1343

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Chemical Society (ACS)  

    DOI: 10.1021/acsomega.2c03385

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  • Branched versus Linear Structure: Lowering the CO2 Desorption Temperature of Polyethylenimine-Functionalized Silica Adsorbents

    Jannis Hack, Seraina Frazzetto, Leon Evers, Nobutaka Maeda, Daniel M. Meier

    Energies   15 ( 3 )   1075 - 1075   2022年1月   eISSN:1996-1073

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:MDPI AG  

    Lowering the regeneration temperature for solid CO2-capture materials is one of the critical tasks for economizing CO2-capturing processes. Based on reported pKa values and nucleophilicity, we compared two different polyethylenimines (PEIs): branched PEI (BPEI) and linear PEI (LPEI). LPEI outperformed BPEI in terms of adsorption and desorption properties. Because LPEI is a solid below 73–75 °C, even a high loading amount of LPEI can effectively adsorb CO2 without diffusive barriers. Temperature-programmed desorption (TPD) demonstrated that the desorption peak top dropped to 50.8 °C for LPEI, compared to 78.0 °C for BPEI. We also revisited the classical adsorption model of CO2 on secondary amines by using in situ modulation excitation IR spectroscopy, and proposed a new adsorption configuration, R1(R2)-NCOOH. Even though LPEI is more expensive than BPEI, considering the long-term operation of a CO2-capturing system, the low regeneration temperature makes LPEI attractive for industrial applications.

    DOI: 10.3390/en15031075

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  • Bifunctional electrochemical properties of La<sub>0.8</sub>Sr<sub>0.2</sub>Co<sub>0.8</sub>M<sub>0.2</sub>O<sub>3-<i>δ</i></sub> (M = Ni, Fe, Mn, and Cu): efficient elemental doping based on a structural and pH-dependent study

    Cheng, J; Ganesan, P; Wang, Z; Zhang, M; Zhang, G; Maeda, N; Matsuda, J; Yamauchi, M; Chi, B; Nakashima, N

    MATERIALS ADVANCES   3 ( 1 )   272 - 281   2022年1月   eISSN:2633-5409

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Materials Advances  

    Perovskite oxides with a low cost and high catalytic activity are considered as suitable candidates for the oxygen evolution reaction (OER)/oxygen reduction reaction (ORR), but most of them favour only either the ORR or the OER. Besides, their underlying catalytic mechanisms are subject of an ongoing debate. Herein, La0.8Sr0.2CoO3-δ (LSC) was selected as a base perovskite oxide for doping different elements into its B-site to fabricate four different La0.8Sr0.2Co0.8M0.2O3-δ (LSCM; M = Ni, Fe, Mn, and Cu) perovskite oxides. Among the catalysts tested with and without multi-walled carbon nanotubes (MWNTs), La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3-δ (LSCF) outperformed any other catalysts in terms of both OER and ORR activity. The OER/ORR activity enhancement with LSCF is also discussed based on spectroscopic and microscopic analyses and lattice oxygen transportation.

    DOI: 10.1039/d1ma00632k

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講演・口頭発表等

  • Development of Functionalised Polyethylenimine for CO2 Capture and Low-Temperature Regeneration 国際会議

    Abdullah Al Abdulghani, Nobutaka Maeda, Ken-ichi Shimizu

    2025 I2CNER Annual Symposium  2025年1月 

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    記述言語:英語   会議種別:ポスター発表  

    開催地:九州大学   国名:日本国  

  • Installation of Modulation-Excitation IR/Raman/XAS/WAXS/SAXS for Catalysis Research 国際会議

    Nobutaka Maeda, Abdullah Al Abdulghani, Ken-ichi Shimizu

    2025 I2CNER Annual Symposium  2025年1月 

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    記述言語:英語   会議種別:ポスター発表  

    開催地:九州大学   国名:日本国  

  • 変調励起分光法(IR、Raman、XAFS、WAXS/SAXS)の触媒研究への展開

    前田修孝、Abdullah Al Abdulghani、清水研一

    日本化学会 第105春季年会  2025年3月 

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    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

    開催地:関西大学   国名:日本国  

  • アルミナ担持Cs触媒によるCO2吸蔵還元による連続的CO合成

    清水研一、Ningqiang Zhang、Cingcong Li、鳥屋尾隆、前田修孝

    第135回触媒討論会(春)  2025年3月 

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    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

    開催地:大阪大学   国名:日本国  

  • セリア担持Au触媒上の水性ガスシフト反応機構のオペランド解析

    宮崎眞太、宮景琢充、安齊亮彦、前田修孝、鳥屋尾隆、清水研一

    第135回触媒討論会(春)  2025年3月 

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    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:大阪大学   国名:日本国  

  • Extraction of Surface Dynamics by Modulation Excitation XAFS

    Abdullah Al Abdulghani、前田 修孝、清水 研一

    第135回触媒討論会(春)  2025年3月 

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    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

    開催地:大阪大学   国名:日本国  

  • オペランド変調励起IR/Raman/XAFS/SAXS/WAXSの整備

    前田修孝、Abdullah Al Abdulghani、清水研一

    第135回触媒討論会(春)  2025年3月 

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    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

    開催地:大阪大学   国名:日本国  

  • 機能する触媒を”観る”ためのオペランド変調励起分光拠点の構築 招待

    前田修孝

    第135回触媒討論会(春)特別シンポジウム  2025年3月 

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    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:大阪大学   国名:日本国  

  • Low-Energy Input CO2 Capture with Functionalized Polyethylenimine 国際会議

    Abdullah Al Abdulghani, Nobutaka Maeda, Adroit Fajar, Guillaume Lambard

    WPI-SKCM² and WPI-I²CNER Joint Research Symposium  2024年12月 

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    記述言語:英語   会議種別:ポスター発表  

    開催地:九州大学   国名:日本国  

  • Modulation-Excitation IR and X-ray Absorption Spectroscopy for Carbon-Neutral Energy Research 国際会議

    Nobutaka Maeda, Abdullah Al Abdulghani, Ken-ichi Shimizu

    WPI-SKCM² and WPI-I²CNER Joint Research Symposium  2024年12月 

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    記述言語:英語   会議種別:ポスター発表  

    開催地:九州大学   国名:日本国  

  • Modulation Excitation IR / XAS for Carbon Neutral Energy Research 招待 国際会議

    Nobutaka Maeda

    NEDO-GNS Science 2nd Workshop  2024年11月 

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    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:九州大学   国名:日本国  

  • Operando Modulation-Excitation IR Spectroscopy at Elevated Temperature and Pressure for Catalytic CO2 Hydrogenation 国際会議

    Nobutaka Maeda

    ISSP International Workshop  2024年10月 

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    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:東京大学 物性研究所   国名:日本国  

  • オペランド変調励起赤外分光法による二酸化炭素水素化触媒反応のメタノール生成機構解明

    前田修孝

    第134回触媒討論会(秋)  2024年9月 

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    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

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所属学協会

  • 触媒学会

  • アメリカ化学会

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 尿素の電気化学的酸化反応を応用したグリーン水素生成の促進に向けた分光学と機械学習の統合アプローチ 国際共著

    研究課題/領域番号:JPMJNX25B5  2025年4月 - 2028年3月

    科学技術振興機構(JST)  NEXUS日本ータイ「グリーンテクノロジー」研究領域 

    前田修孝

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    担当区分:研究代表者  資金種別:科研費以外の競争的資金

  • 変調励起XAFSによる金属-担体界面ダイナミクスの観測

    研究課題/領域番号:25ES0745  2025年4月 - 2026年3月

    触媒科学計測共同研究拠点   2025年度触媒科学計測共同研究拠点共同利用・共同研究公募(発展型)  

    前田修孝

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    担当区分:研究代表者  資金種別:科研費以外の競争的資金

  • 非定常オペランド赤外・X線吸収分光法による触媒反応活性種・活性点の選択的抽出

    研究課題/領域番号:24DS0688  2024年11月 - 2025年3月

    触媒科学計測共同研究拠点   2024年度触媒科学計測共同研究拠点共同利用・共同研究公募(提案型)第二期  

    前田修孝

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    担当区分:研究代表者  資金種別:科研費以外の競争的資金

  • 非定常オペランド赤外分光法による触媒反応活性種の選択的抽出

    研究課題/領域番号:24DS0555  2024年6月 - 2024年10月

    触媒科学計測共同研究拠点   2024年度触媒科学計測共同研究拠点共同利用・共同研究公募(提案型)第一期  

    前田修孝

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    担当区分:研究代表者  資金種別:科研費以外の競争的資金

  • 変調励起赤外分光法による高効率 CO2水素化反応触媒の探索

    2024年4月 - 2025年3月

    西部ガスグループ  西部ガスグループカーボンニュートラル2050  

    前田修孝

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    担当区分:研究代表者  資金種別:寄附金

教育活動概要

  • 該当なし

他大学・他機関等の客員・兼任・非常勤講師等

  • 2025年  北海道大学  区分:集中講義  国内外の区分:国内 

    学期、曜日時限または期間:7月4日

  • 2025年  理化学研究所  国内外の区分:国内 

  • 2025年  北海道大学  区分:客員教員  国内外の区分:国内 

外国人研究者等の受け入れ状況

  • カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所

    受入れ期間: 2024年9月 - 現在   (期間):1ヶ月以上

    国籍:サウジアラビア王国

    専業主体:文部科学省

海外渡航歴

  • 2024年6月

    滞在国名1:スイス連邦   滞在機関名1:チューリッヒ応用科学大学