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該論文報道了金屬鈦摻雜的硼氮富勒烯的奇特結構，顛覆了人們普遍持有的認為硼氮金屬富勒烯屬于內嵌復合物的觀點。他們通過高級別的DFT計算系統(tǒng)地研究了一系列 Ti(BN)n 復合物 (2n = 24-48)，驚訝地發(fā)現(xiàn)Ti原子強烈地傾向于從外部與籠子結合而不是被包裹在富勒烯籠內。計算表明，在典型的制備硼氮團簇的條件下，金屬從外部與籠子結合是顯著的自發(fā)過程，而金屬籠內結合的分子結構則無法自發(fā)形成。這與金屬和碳富勒烯的結合方式形成鮮明對比。

 為解釋這一出乎意料的結果，他們系統(tǒng)研究了Ti(BN)n 復合物的大量可能的結構，發(fā)現(xiàn)了決定其穩(wěn)定性的成鍵特征。最值得注意的是，在穩(wěn)定結構中，四價鈦原子與籠上六邊形的兩平行邊上的四個氮原子進行配位，這種鍵合方式既有利于金屬-配體軌道相互作用，又能保持籠形框架的最小形變。這就使得在金屬摻雜后，硼氮納米籠的拓撲結構和B, N原子的排列方式都發(fā)生了重大變化。摻雜了金屬的籠子出現(xiàn)了如五元環(huán)、七元環(huán)等罕見的面，而這些奇數(shù)環(huán)在純的硼氮富勒烯中是不存在。另一方面，B, N原子的重新排列導致兩個B—B鍵的出現(xiàn)。這些“反位點”可能在捕獲二氧化碳和固氮等方面具有潛在的應用價值。

作者還提出了低能碰撞誘導解離的實驗方案，來證實金屬硼氮富勒烯的籠外結合結構。在采用10 eV左右的碰撞能時，如果在質譜圖中僅檢測到Ti +離子信號，就證明復合物是籠外結合的。如果金屬是內部結合的，則將需要更高的激發(fā)能，并且還可能觀察到母籠的碎片。

該發(fā)現(xiàn)可能會拓展或改變人們對金屬功能化的硼氮納米結構的理解，并激發(fā)人們對該課題進行進一步實驗和理論探索。碩士研究生李如意為該文的第一作者，汪洋教授為通訊作者。本研究得到獲得了校優(yōu)勢學科和學科特區(qū)等項目資助。

論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-019-12877-0

Modification of boron nitride nanocages by titanium doping results unexpectedly in exohedral complexes

Ruyi Li & Yang Wang

Nat. Commun., 2019, 10, 4908, DOI: 10.1038/s41467-019-12877-0