21.06.2022 - Kyoto University

Zufällig seltene Clusterverbindung entdeckt

Das Molekül ist ungewöhnlich und hat "großes Potenzial" für Katalyse, Konduktion und andere Anwendungen

Wissenschaftler des Institute for Cell-Material Sciences der Universität Kyoto haben eine neuartige Clusterverbindung entdeckt, die sich als Katalysator erweisen könnte. Die als Polyoxometalate bezeichneten Verbindungen enthalten einen großen Metalloxid-Cluster, der eine negative Ladung trägt. Sie sind überall zu finden, von antiviralen Medikamenten bis hin zu wiederaufladbaren Batterien und Flash-Speichergeräten.

Bei der neuen Clusterverbindung handelt es sich um ein Hydroxyiodid (HSbOI), das ungewöhnlich ist, da es große, positiv geladene Cluster enthält. Nur eine Handvoll solcher positiv geladener Clusterverbindungen wurde bisher gefunden und untersucht.

"In der Wissenschaft kann die Entdeckung eines neuen Materials oder Moleküls eine neue Wissenschaft begründen", sagt der Chemiker Hiroshi Kageyama von der Kyoto-Universität. "Ich glaube, dass diese neuen positiv geladenen Cluster ein großes Potenzial haben."

Der erste Metalloxid-Cluster wurde 1826 entdeckt. Seitdem haben Chemiker Hunderte von Verbindungen mit negativ geladenen Clustern synthetisiert, die nützliche Eigenschaften in den Bereichen Magnetismus, Katalyse, Ionenleitung, biologische Anwendungen und Quanteninformation besitzen. Ihre Eigenschaften machen sie in verschiedenen Bereichen von der Katalyse über die Medizin bis zur chemischen Synthese nützlich.

In den letzten Jahren haben sich die Wissenschaftler darauf konzentriert, Verbindungen mit positiv geladenen Clustern zu synthetisieren und deren Eigenschaften zu erforschen.

Kageyama und sein Kollege Ryu Abe haben ihren positiven Cluster zufällig gefunden. Seit 2016 sind die beiden Wissenschaftler - Kageyama, ein Festkörperchemiker, und Abe, ein katalytischer Chemiker - auf der Suche nach neuen Verbindungen, die sichtbares Licht für die Photokatalyse absorbieren können. Sie untersuchten eine chlorhaltige Verbindung (Sb4O5Cl2) und versuchten, das Chloratom durch Jod zu ersetzen.

"Dabei wurde zufällig ein neues Material gefunden, das sich völlig von dem unterscheidet, was wir erwartet hatten", sagt Kageyama.

Die Wissenschaftler erwarteten ein Material, das 22 Atome in der Einheitszelle enthält. Stattdessen erhielten sie eine Verbindung, die 800 Atome in ihrer Einheitszelle enthält.

Zu Beginn konnten die Wissenschaftler die Struktur der Chemikalie nicht entschlüsseln. Eine herkömmliche Technik, die Röntgenbeugung, versagte angesichts der Komplexität des Materials. Nach einem Jahr kam Kageyama auf die Idee, die dreidimensionale Elektronentomographie einzusetzen, eine hochmoderne Technik der Elektronenmikroskopie, die in jüngster Zeit als Instrument zur Darstellung der Struktur von Proteinen Beachtung gefunden hat. Die Wissenschaftler wandten sich an Artem Abakumov und Joke Hadermann von der Universität Antwerpen, Belgien, um die Struktur zu untersuchen. Als ihre Mitarbeiter die Daten zurückschickten, waren die Wissenschaftler begeistert von den großen Clustern.

Weitere Laborarbeiten zeigten, dass das Hydroxyiodidmolekül saure Protonen enthielt, was für die Katalyse wichtig ist.

"Diese Entdeckung könnte neue Möglichkeiten für das Design von Festkörperkatalysatoren eröffnen", sagt Kageyama.

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