碱性氧化物催化剂含有氧离子和未配对的电子，这些电子可以与其他物质共享以促进化学反应。这些催化剂广泛用于合成化学品、药品和石油化工产品。人们一直在努力通过提高这些催化剂的碱度或提供电子或接受氢离子的能力来提高它们的催化能力。
各种策略包括用高电负性阳离子(如碱金属)掺杂催化剂，用不同价的阴离子(如氢化物(H-)或氮化物(N3-)离子)取代氧化离子，或通过在氧化阴离子旁边引入氧空位来增加催化剂中的电子密度。
在最近的一项研究中，由助理教授Masayoshi Miyazaki领导的一组研究人员，包括通讯作者Hideo Hosono教授和Masaaki Kitano教授，都来自东京工业大学(东京工业大学)，现在已经开发出一种六边形BaTiO3-xNy氧氮化催化剂，其碱度与超碱相当。
他们通过将氮离子和氧空位替换为BaTiO3?x中共享表面的Ti2O9二聚体位点来实现这一目标。他们的研究发表在《美国化学学会杂志》上，为开发高碱性催化剂奠定了基础。
氮离子取代氧离子改变了催化剂的电子结构，使最高已占据分子轨道(HOMO)的能级向上移动。
HOMO代表了电子在分子轨道中存在的最高能级，向上移动使电子更有利于被捐赠到反应物的最低未占据分子轨道(LUMO)。此外，在掺杂氮离子附近引入氧空位增加了电子密度，进一步提高了HOMO能级，导致高碱性催化剂具有高给电子倾向。
由于这种协同作用，与不含氧空位的BaTaO2N和LaTiO2N等材料相比，所形成的氮化氧具有更强的碱性。宫崎博士解释说:“这种改善的碱度源于取代氮离子与氧空位上电子的耦合。”
氮氧化物催化剂的强碱性有利于Knoevenagel缩合反应。在这些反应中，碱性催化剂从亚甲基上接受质子(氢离子)，导致羰基和亚甲基之间形成C-C键。
在将含亚甲基的腈与苯甲醛(代表羰基)反应时，研究人员注意到氮化氧催化剂BaTiO2.01N0.34可以接受来自具有pKa值(化合物在水中的酸解常数(Ka)的负对数)的高碱性腈反应物的质子;pKa值高表示弱酸或强碱)分别高达23.8和28.9。
在这方面，催化剂从高碱性腈反应物中接受氢离子的能力表明其碱性强度与超碱相当，超碱的pKa值约为26。
除了它的高碱性外，氮氧化物催化剂是稳定的，在反应后没有发生结构和电子态的变化。此外，该催化剂在多次使用后仍保持其催化活性，适合实际应用。
总之，本研究提出的提高碱度的方法为开发用于各种化学过程的高碱性催化剂铺平了道路。“高碱性催化剂的合成需要结合表面阴离子和空位，”宫崎博士总结道。
