鉄と水素の結合を結晶内で安定化 ―レドックス非対称性で鉄系酸水素化物を実現―

2026-06-02 京都大学

京都大学と北海道大学を中心とする研究グループは、鉄と水素の結合を結晶内で安定化した世界初の鉄系ペロブスカイト型酸水素化物BaFe₀.₅Ta₀.₅O₂.₇H₀.₃の合成に成功した。酸水素化物は酸化物中の酸化物イオン(O²⁻)の一部をヒドリドイオン(H⁻)に置換した材料で、触媒やエネルギー変換材料として注目されている。しかし鉄は還元されやすく、通常はヒドリド導入前に酸素欠損相へ変化してしまうため、鉄系酸水素化物の実現は困難だった。本研究では、還元されやすい鉄(Fe)と還元されにくいタンタル(Ta)を同一結晶中に配置し、Taが5価状態を維持して結晶構造を支えることで、O²⁻/H⁻置換を可能にした。この「レドックス非対称性」という新しい設計概念により、鉄-水素結合を安定化できることを実証した。成果は、従来未開拓だった鉄系酸水素化物の研究領域を切り開くものであり、将来的には触媒、水素関連材料、電気化学デバイスなどへの応用が期待される。また、固体内の酸化還元反応を精密に制御する新たな材料設計指針としても重要な意義を持つ。

鉄と水素の結合を結晶内で安定化 ―レドックス非対称性で鉄系酸水素化物を実現―
還元されやすい鉄と還元されにくいタンタルを組み合わせることで、レドックス非対称性により初の鉄系ペロブスカイト型酸水素化物の合成に成功(Kyoto Univ. and Hokkaido Univ. / Yuki Sasahara)

<関連情報>

レドックス非対称性によりペロブスカイト型酸水素化物で鉄–水素結合を実現 Redox Asymmetry Enables Fe–H Bonds in Perovskite Oxyhydrides

Yuki Sasahara,Susumu Fujii,Daichi Kato,Rina Terada,Tomoko Onoue,Kei Saito,Kei Morisato,Suraj Mahato,Ryotaro Tanabe,Masatomo Yashima,Ko Mibu,and Hiroshi Kageyama
Journal of the American Chemical Society  Published: June 1, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c06588

Abstract

Transition-metal oxyhydrides have attracted considerable interest because incorporation of hydride anions endows oxides with distinctive structural, electronic, and catalytic functionalities. Although CaH2 topochemical reduction has enabled various transition-metal oxyhydrides (e.g., V, Ti, Co, and Ru), Fe-based oxides exclusively form oxygen-deficient phases such as SrFeO2, whereas oxides containing redox-inert cations such as Ta5+, Nb5+, or Hf4+ remain essentially unreactive. Here we show that combining Fe with such redox-inert cations in B-site solid-solution perovskites overcomes both limitations and enables the synthesis of BaFe0.5Ta0.5O2.7H0.3, in which Fe is selectively reduced while Ta remains pentavalent. Density functional theory calculations reveal that O2–/H substitution stabilizes the structure by relieving the local strain associated with oxygen-vacancy formation. The resulting Fe–H bonds are remarkably robust, persisting in the mixed-valent Fe2+/Fe3+ configuration, whereas Fe–H bonds in molecular complexes are generally limited to lower oxidation states. Extension of this strategy to B-site Fe/Nb and Fe/Hf solid-solution perovskites likewise yields their corresponding oxyhydrides. These results establish a general design principle for stabilizing chemically robust Fe–H bonds in perovskites and other structures.

0501セラミックス及び無機化学製品
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