新しい材料化合物を合理的に開発するためには、その合成のメカニズムを理解することが重要です。 分子反応におけるこれらのメカニズムの研究には、核磁気共鳴や分光法などの分析技術が一般的に使用されます。 ただし、固体結晶性化合物の形成の根底にある反応経路はまだよくわかっていません。 これは、固体状態の化合物に見られる極端な温度と不均一な反応によるものです。 さらに、固体結晶性化合物には多くの原子が存在するため、正確な分析が困難になります。 したがって、これらの課題を回避するための新しい技術を開発する必要があります。

最近、その場シンクロトロン X 線回折 (XRD) 技術は、結晶相での反応を研究するために使用されています。 シンクロトロン X 線回折測定は、高速で時間分解能が高いため、非常に短い時間枠 (数百ミリ秒) で反応データにアクセスできます。 これにより、短命の反応中間体に関するデータを収集するための技術が有望になります。

現在、日本の研究者グループは、このような最先端のシンクロトロン X 線技術を使用して、層状ペロブスカイトの固体-気体トポケミカル還元メカニズムを研究しています。 この研究は、東京工業大学（東工大）の山本貴文准教授が主導し、雑誌に掲載されました 先端科学 公開されました。

「効率的な酸素貯蔵能力があるため、Ruddlesden-Popper 型の層状ペロブスカイトである Sr3Fe2O7-δ を使用しました。Sr3Fe2O7-δ は、O2 と H2 の下で可逆的かつ高速なトポケミカル酸化還元反応を実行し、環境触媒材料として優れた性能を発揮します」と博士は言います。 . 山本です。

彼の共同研究者は以前、Sr3Fe2O7-δ にパラジウム (Pd) をドープすると酸素放出速度が大幅に増加し、放出温度が低下することを観察していました。 これらの観察に基づいて、チームは固定ガス還元中のこのペロブスカイトの反応経路と構造進化を調査しました。

チームは、未処理のサンプルと Pd をロードした Sr3Fe2O7-δ のサンプルを準備することから始めました。 次に、高速シンクロトロンX線検出器を使用して、酸素の急速な脱離（還元）を行いながら調べました。

分析により、純粋な Sr3Fe2O7-δ の還元は熱力学的に安定した相を通過し、純粋な Sr3Fe2O7-δ は還元中に単相構造を徐々に進化させることが明らかになりました。 対照的に、Pd 荷電 Sr3Fe2O7-δ の還元は、根本的に異なる経路である非平衡中間相を介して進行しました。 最初に、数秒間動的に無秩序なフェーズに入り、次に一次遷移を介して再配置され、秩序のある安定した最終状態に到達しました。

さらに、Sr3Fe2O7-δ の表面上の金属 Pd 粒子は、未処理の Sr3Fe2O7-δ と比較して、Pd をロードした Sr3Fe2O7-δ の酸素脱インターカレーション反応を大幅に加速しました。 山本博士は次のように付け加えています。

まとめると、これらの結果は、シンクロトロン X 線技術を使用して、固体化合物の反応経路を研究し、それらの律速段階を特定できることを示唆しています。 これは、高性能機能材料の合理的な設計のために反応経路を最適化するのに役立ちます。