京都大學iCeMS（物質-細胞統合系統基地）合作首席研究員陰山洋和阿部龍（均兼任工學研究科教授）等人組成的研究團隊宣佈，與東京大學、東京工業大學、國家標準與技術研究院（美國）、斯科爾科沃科技學院（俄羅斯）和安特衛普大學大學（比利時）合作，成功合成了具有帶正電荷的氧化物簇的新化合物「HSbOI」。證實了作爲固態酸觸媒具有優異的催化性能。以往的氧化物簇大多都帶負電荷，利用HSbOI有望開發新的材料。相關成果已發佈在國際科學期刊《Science Advances》6月17日號上。
此次研究獲得的新物質（右）。由大中小三種團簇構成，最外側的大簇（左）帶正電荷。（供圖：京都大學iCeMS）
含有主要由過渡金屬和氧組成的氧化物簇的多核種酸在19世紀首次合成，由於其催化特性、光功能和生化作用等，而被作爲功能材料進行研究。另一方面，這些氧化物簇大多都是帶負電荷的。
此前，陰山教授和阿部教授在2016年發現，氧和氯共存的復合陰離子化合物（Bi4NbO8Cl）是一種可以在可見光下將水分解成氫和氧的優異半導體觸媒。之後，爲進一步提高光催化活性，兩人一直在研究合成含碘的復合陰離子化合物，因爲碘的電負度比氯小，帶隙更小，可以利用波長更長的可見光。
此次在對研究程序中合成的化合物進行調查時發現，該化合物是由氫、銻、氧和碘構成的新物質「HSbOI」。
隨後，研究團隊組合使用三維電子束繞射斷層掃描和同步輻射X射線繞射分析了HSbOI的結構。
結果顯示，HSbOI是晶胞中含有約800個原子的、由大、中、小三種團簇構成的巨大團簇晶體。另外還發現，大簇帶正電荷，質子（H+）與表面的結合非常弱，表明有高反應性。
因此，爲調查能否將這種高反應性作爲固體氧觸媒使用，研究團隊研究了典型的酸催化反應——頻哪醇重排反應。結果顯示，在甲苯中頻哪醇能以100％的轉化率轉化爲頻哪酮，應答了作爲固態酸觸媒的高催化性能。此外，在以水爲溶劑的有機合成反應試驗中，也實施了300次以上的高翻轉數。
新物質可以透過將氧化銻（Sb2O3）粉末溶解到由碘化氫（HI）和水構成的溶液中並控制pH值的簡單處理合成。
陰山教授表示：「由於新物質不是多孔物質，而且反應只發生在晶體表面，因此透過與其他分子等相結合，有望進一步提高活性。目前，理論計算表明中簇不穩定，所以我們認爲可以簡單地改變負電荷團簇和分子與正電荷大簇相結合。常規的負電荷氧化物簇透過改變與其結合的正電荷的離子和分子，合成了無限多種物質。我們相信，同樣的方法也可以應用於提高穩定性。另外，新物質目前爲固態，如果能在溶液中穩定下來，預計應用範圍會擴大。」
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Science Advances
論文：Polyoxocationic antimony oxide cluster with acidic protons
DOI：10.1126/sciadv.abm5379
