神奈川大學等組成的研究團隊發現了一種僅通過溫度變化即可吸收和釋放氧氣，並根據所吸收的氧氣量呈現白色或深藍計算機色的變色陶瓷。傳統材料在釋放氧氣時需要使用特殊性質的氣體，而這種新型陶瓷即使在大氣中或富含氧氣的溫和環境中，也能實現氧氣的吸放。這種材料有望應用於儲氧物質、氧感測器、變色顏料等領域。
研究團隊合成的陶瓷（圖片中央），釋放氧氣時變為白色（左），吸收氧氣時變為深藍計算機色（右）（供圖：神奈川大學研究員大石耕作）
神奈川大學化學生命學部的本橋輝樹教授（材料化學專業）為將高效吸收氧氣的陶瓷應用於儲氧材料領域，已持續開展研究約20年。在本橋教授的指導下，大石耕作研究員（材料化學專業）針對具有「黃長石型結構」的材料特性開展了系統研究。該材料具有天然礦物黃長石的晶體結構，其特徵是包含金屬等3種元素（陽離子），各類陽離子分別與氧離子結合併且層狀相連。
「黃長石型結構」中所含3種元素的比例（A:B:C）為2:1:2。作為其名稱來源的天然礦物黃長石，含有的三種元素為鈣、鎂與矽（供圖：神奈川大學研究員大石耕作）
為探究怎樣的三種元素組合才能高效吸收氧氣，研究團隊以在儲氧材料領域已具備實際應用成果的錳為核心，通過重組搭配鍶與鋇、矽與鍺，試製了多種具有黃長石型結構的陶瓷，並對這些材料的氧氣吸收性能進行測試後發現，在1100攝氏度下燒製的、由鋇-錳-鍺組成的陶瓷（BMG）性能最優，最高可儲存自身重量1.2%的氧氣。
以往的錳基儲氧材料具有當周圍有氧氣時持續吸收氧氣的性質，但要使其釋放氧氣，必須使用氫氣、氨氣、一氧化碳等具有強還原能力（將氧化狀態復原的能力）的氣體。而與之相對的，此次研究發現的BMG在富含氧氣的環境中加熱時，可在200攝氏度附近吸收氧氣，而當溫度升至400～500℃時，即便沒有強還原能力的氣體也會一次性釋放氧氣。該材料具備氧氣吸收量最低時變為白色，隨氧氣量的增加藍色逐步加深的性質。
研究團隊通過同步輻射X射線吸收光譜法、同步輻射原位X射線繞射、單晶X射線繞射、粉末中子繞射等方法對BMG的晶體結構展開了研究。結果發現，釋放氧氣時，BMG是錳離子周圍附著4個氧離子的四面體（三角錐）結構，而吸收氧氣時，它會變成錳離子周圍附著5個氧離子的三角雙錐（兩個三角錐貼合的形狀）。研究顯示，晶體的黃長石型結構也會隨之轉變為與基礎組態不同的結構。
BMG在釋放與吸收氧氣時的晶體結構示意圖。紅點為氧離子（供圖：神奈川大學研究員大石耕作）
本橋教授表示：「如果利用該材料在（大氣中或富含氧氣的）溫和條件下會可逆地吸收釋放氧氣的特性，未來或許能夠將其用於從空氣中分離氧氣。此外，它或許也能作為釋放氧氣的觸媒類材料，用於淨化汽車尾氣中所含的一氧化碳等物質。」
上述研究由神奈川大學與日本東北大學、京都工藝纖維大學、近畿大學合作開展，相關成果已發表在美國化學會的專業期刊《Chemistry of Materials》的1月24日刊上。
原文：JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
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期刊：Chemistry of Materials
論文：Unconventional Oxygen Storage/Release Properties of Melilite-Type Ba2MnGe2O7+δ Associated with Complex Structural Transformation
URL：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.5c02228
