神奈川大學化學生命學部的本橋輝樹教授等人的研究團隊，通過與京都大學複合原子能科學研究所的南部雄亮特定教授、近畿大學理工學部的杉本邦久教授、Zi Lang Goo研究員（研究當時）、九州大學研究生院工學研究院的林克郎教授、稻田幹副教授、日本國立研究開發法人物質材料研究機構（NIMS）材料基礎研究中心的木本浩司主任、澳大利亞原子能科學技術機構（ANSTO）的Maxim Avdeev博士的共同研究，發現了一種具有卓越熱穩定性的鍶鎵氧氫氧化物。這種化合物通過自主研發的氣相羥基化反應合成獲得，通過運用電子顯微鏡、X射線繞射、中子繞射、紅外線光譜的尖端分析，明確了其詳細晶體結構及對高熱穩定性做出貢獻的氫鍵的存在。這一成果加速了（氧）氫氧化物的開發研究，有望為創製可應用於燃料電池和固態酸觸媒等領域的革新性質子功能性材料提供助力。相關研究成果已發表在期刊《Inorganic Chemistry》上。
圖1.熱穩定性優異的鍶鎵氧氫氧化物及新型質子功能性材料的應用拓展（供圖：神奈川大學）
晶體結構中含由水分子衍生的氫氧離子（OH-）的金屬（氧）氫氧化物，是一類蘊含大量質子（H+）源的化合物群。由於質子參與的功能性材料中，固態酸觸媒及質子導體等重要物質眾多，因此亟需開發出新的（氧）氫氧化物的製造方法。
研究團隊運用自主研發的氣相羥基化反應（命名為vapor hydroxidation），發現了新型氧氫氧化物Sr₂Ga₃O₆(OH)。在該合成法中，採用了自主設計的反應裝置，通過高溫、高濃度蒸汽對金屬氧化物直接進行羥基化。其典型反應條件為500℃以上、蒸汽體積分數80%，與傳統合成法存在顯著差異。這種蒸汽濃度是室溫飽和水蒸氣的30倍以上（濕度3000%），可針對性地發現僅在高溫高濃度蒸汽氣氛中穩定存在的新材料。其關鍵在於，一般情況下，（氧）氫氧化物在300℃左右會釋放水分子，因此在500℃以上高溫下嘗試物質合成曾被視為違背常識，此前並無先例。
通過電子顯微鏡、X射線繞射、中子繞射分析，研究明確該物質具有鍶（Sr）與鎵（Ga）呈六邊形排列的結構，且其中包含的OH-偏聚於兩個鍶原子之間的狹窄空間內。進一步研究表明，該物質作為（氧）氫氧化物具有獨特穩定性，可將OH-保留在晶體結構中直至約850℃。詳細的紅外線光譜測定結果提示，晶體結構中形成的多個氫鍵對該化合物的熱穩定性起到了關鍵作用。
氣相羥基化反應對探索新型（氧）氫氧化物極為有效。通過該方法能夠以良好的再現性獲得高結晶性產物，因此可以對化學組成與晶體結構進行精密表徵。事實上，研究團隊已成功合成了多種新型氧氫氧化物。該成果有望在（氧）氫氧化物作為潛在質子功能性材料的開發領域，以及在高溫環境下也能使用的固態酸觸媒、質子導體等革新性質子功能性材料的創製領域，推動重要進展。
本橋教授表示：「氣相羥基化反應是一種自主研發的、在高溫、高濃度蒸汽中對（氧）氫氧化物進行熱處理的合成法。目前市面上已經有作為廚具在售的蒸汽加熱烤箱，而通過堪稱為‘陶瓷的蒸汽加熱烹飪’的本方法，新物質正在陸續被發現。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Inorganic Chemistry
論文：A Sr-Ga Oxy-Hydroxide with High Thermal Stability: Unraveling Its Characteristic Hydrogen-Bond Network
URL：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.5c02586
