2023.05.02
高速酸素脱離反応の可視化
材料設計指針の構築に貢献
東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所の山本隆文准教授、物質理工学院 材料系の小菅大輝大学院生、菅井玲元大学院生、東正樹教授、高輝度光科学研究センターの河口彰吾主幹研究員、京都工芸繊維大学 材料化学系の細川三郎准教授らの研究グループは、大型放射光施設SPring-8を利用して、酸素貯蔵材料として有望な鉄酸化物の高速な酸素脱離反応を100ミリ秒間隔で連続撮影し、その中間状態の構造を可視化することに成功した。
層状ペロブスカイト鉄酸化物Sr3Fe2O7-δ(δは酸素欠損量)は、ガス雰囲気制御によって大量の酸素を高速に脱挿入することが可能であり、自動車の排ガス浄化などに利用される酸素貯蔵材料として有望視されている。本研究では、水素ガスを用いてSr3Fe2O7-δの酸素を引き抜く酸素脱離反応で起こる結晶構造変化を、大型放射光施設SPring-8での時分割X線回折測定によって観察したところ、ある条件では酸素欠陥が無秩序に分布する動的な中間状態が存在することを、世界で初めて確認した。さらに、試料表面への微量金属修飾の有無によって、酸素脱離反応の経路が操作できることも明らかにした。この表面修飾操作は、選択的に物質を作り分ける技術にも適用可能であると考えられる。
今回の研究では、ガス反応系のX線回折測定では初めて、サブ秒オーダー（瞬きの速度）の連続撮影に成功した。高速な現象の観測を可能にするこの技術は、革新的な機能性材料の開発に向けた、各種反応の最適化や物質の構造設計に役立つと期待される。
本研究は、東京工業大学の大見拓也大学院生、長瀬鉄平大学院生、角田直樹元大学院生、大場史康教授、東北大学の熊谷悠教授、東京都立大学の別府孝介助教、山添誠司教授、高輝度光科学研究センターの東晃太朗テニュアトラック研究員、加藤和男主幹研究員、新田清文研究員、宇留賀朋哉研究員、京都大学の田中庸裕教授らが参画した。本研究成果は4月25日付「Advanced Science」誌のオンライン版にオープンアクセスで掲載された。
