Wissenschaftler entdecken zufällig eine seltene Clusterverbindung

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

Die neue Clusterverbindung ist ein Hydroxyiodid (HSbOI) und ist ungewöhnlich, da sie große, positiv geladene Cluster aufweist. Nur eine Handvoll solcher positiv geladener Clusterverbindungen wurden gefunden und untersucht.

„In der Wissenschaft kann die Entdeckung neuer Materialien oder Moleküle eine neue Wissenschaft schaffen“, sagt der Chemiker Hiroshi Kageyama von der Universität Kyoto. „Ich glaube, dass diese neuen positiv geladenen Cluster ein großes Potenzial haben.“

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

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf die Synthese von Verbindungen mit positiv geladenen Clustern und das Erlernen ihrer Eigenschaften gerichtet.

Kageyama und sein Kollege Ryu Abe fanden ihren positiven Cluster zufällig. 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.

„Allerdings wurde versehentlich ein neues Material erhalten, das völlig anders war als erwartet“, sagt Kageyama.

Was die Wissenschaftler erwarteten, war ein Material, das 22 Atome in der Elementarzelle enthält. Was sie stattdessen bekamen, war eine Verbindung, die 800 Atome in ihrer Elementarzelle enthält.

Anfangs konnten die Wissenschaftler die Struktur der Chemikalie nicht enträtseln. Eine traditionelle Technik namens Pulver-Röntgenbeugung scheiterte angesichts der Komplexität des Materials. Nach einem Jahr dachte Kageyama, er könnte die dreidimensionale Elektronentomographie verwenden, eine hochmoderne Elektronenmikroskopietechnik, die in letzter Zeit als Werkzeug zur Abbildung der Struktur von Proteinen Aufmerksamkeit erregt hat. Die Wissenschaftler wandten sich an Artem Abakumov und Joke Hadermann von der Universität Antwerpen, Belgien, um an der Struktur zu arbeiten. Und als ihre Mitarbeiter die Daten zurückschickten, waren die Wissenschaftler begeistert, große Cluster zu sehen.

Weitere Laborarbeiten zeigten, dass das Hydroxyiodid-Molekül saure Protonen enthält, was für die Katalyse wichtig ist.

„Diese Erkenntnis könnte neue Möglichkeiten beim Design von Festkörperkatalysatoren eröffnen“, sagt Kageyama.

Ihre Arbeit wird veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.