神奈川大学等组成的研究团队发现了一种仅通过温度变化即可吸收和释放氧气，并根据所吸收的氧气量呈现白色或深蓝色的变色陶瓷。传统材料在释放氧气时需要使用特殊性质的气体，而这种新型陶瓷即使在大气中或富含氧气的温和环境中，也能实现氧气的吸放。这种材料有望应用于储氧物质、氧传感器、变色颜料等领域。
研究团队合成的陶瓷（图片中央），释放氧气时变为白色（左），吸收氧气时变为深蓝色（右）（供图：神奈川大学研究员大石耕作）
神奈川大学化学生命学部的本桥辉树教授（材料化学专业）为将高效吸收氧气的陶瓷应用于储氧材料领域，已持续开展研究约20年。在本桥教授的指导下，大石耕作研究员（材料化学专业）针对具有“黄长石型结构”的材料特性开展了系统研究。该材料具有天然矿物黄长石的晶体结构，其特征是包含金属等3种元素（阳离子），各类阳离子分别与氧离子结合并且层状相连。
“黄长石型结构”中所含3种元素的比例（A:B:C）为2:1:2。作为其名称来源的天然矿物黄长石，含有的三种元素为钙、镁与硅（供图：神奈川大学研究员大石耕作）
为探究怎样的三种元素组合才能高效吸收氧气，研究团队以在储氧材料领域已具备实际应用成果的锰为核心，通过重组搭配锶与钡、硅与锗，试制了多种具有黄长石型结构的陶瓷，并对这些材料的氧气吸收性能进行测试后发现，在1100摄氏度下烧制的、由钡-锰-锗组成的陶瓷（BMG）性能最优，最高可储存自身重量1.2%的氧气。
以往的锰基储氧材料具有当周围有氧气时持续吸收氧气的性质，但要使其释放氧气，必须使用氢气、氨气、一氧化碳等具有强还原能力（将氧化状态复原的能力）的气体。而与之相对的，此次研究发现的BMG在富含氧气的环境中加热时，可在200摄氏度附近吸收氧气，而当温度升至400～500℃时，即便没有强还原能力的气体也会一次性释放氧气。该材料具备氧气吸收量最低时变为白色，随氧气量的增加蓝色逐步加深的性质。
研究团队通过同步辐射X射线吸收光谱法、同步辐射原位X射线衍射、单晶X射线衍射、粉末中子衍射等方法对BMG的晶体结构展开了研究。结果发现，释放氧气时，BMG是锰离子周围附着4个氧离子的四面体（三角锥）结构，而吸收氧气时，它会变成锰离子周围附着5个氧离子的三角双锥（两个三角锥贴合的形状）。研究显示，晶体的黄长石型结构也会随之转变为与基础构型不同的结构。
BMG在释放与吸收氧气时的晶体结构示意图。红点为氧离子（供图：神奈川大学研究员大石耕作）
本桥教授表示：“如果利用该材料在（大气中或富含氧气的）温和条件下会可逆地吸收释放氧气的特性，未来或许能够将其用于从空气中分离氧气。此外，它或许也能作为释放氧气的催化剂类材料，用于净化汽车尾气中所含的一氧化碳等物质。”
上述研究由神奈川大学与日本东北大学、京都工艺纤维大学、近畿大学合作开展，相关成果已发表在美国化学会的专业期刊《Chemistry of Materials》的1月24日刊上。
原文：JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
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期刊：Chemistry of Materials
论文：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
