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Natl. Sci. Rev. 中科院化學(xué)研究所駱智訓(xùn)課題組在團(tuán)簇超原子用于新材料基因的研究方面取得進(jìn)展

來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所      2020-10-29
導(dǎo)讀:腐蝕、防腐以及催化等化學(xué)化工過(guò)程都涉及金屬團(tuán)簇的研究,團(tuán)簇已成為了化學(xué)和材料研究的前沿和熱點(diǎn)。深入理解原子到分子、團(tuán)簇、納米結(jié)構(gòu)、再到宏觀物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能演變,將有力地推動(dòng)化學(xué)走向"微觀化"、"精準(zhǔn)化"和"交叉融合"。

在國(guó)家自然科學(xué)基金委、財(cái)政部、中國(guó)科學(xué)院的支持下,化學(xué)所分子動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室駱智訓(xùn)研究員課題組研制了多套團(tuán)簇科學(xué)儀器裝置,在金屬團(tuán)簇與超原子的高效制備及反應(yīng)性研究方面取得了系列進(jìn)展 (圖1)。團(tuán)簇超原子作為一類(lèi)具有固定幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的類(lèi)比于原子的團(tuán)簇(Acc. Chem. Res2014, 47, 2931-2940),可以通過(guò)金屬團(tuán)簇精準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)(Chem. Rev. 2016, 116, 23, 14456),設(shè)計(jì)具有團(tuán)簇基因的功能新材料(Coord. Chem. Rev., 2019, 400, 213053),不僅可應(yīng)用于催化,也有望拓展至更廣泛的光化學(xué)、自旋電子學(xué)等領(lǐng)域,體現(xiàn)從“超原子化學(xué)”到“團(tuán)簇材料基因”的新視角(Coord. Chem. Rev.2020, CCR_213643)。 

圖1. (A) 自主研制的國(guó)家重大儀器(深紫外二期子項(xiàng)目)DUV+IR質(zhì)譜光譜儀;(B) 狹義和廣義超原子概念的提出 (Acc. Chem. Res. 2014,47, 2931); (C) 基于科學(xué)院儀器研制項(xiàng)目支持的離子層流反應(yīng)管串聯(lián)自定義多重四極質(zhì)譜系統(tǒng);(D) 開(kāi)殼層超原子團(tuán)簇Cu18-的發(fā)現(xiàn) (J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 5807); (E/F) 金屬團(tuán)簇應(yīng)用于材料基因 (Coord. Chem. Rev., 2019, 400, 213053; 2020, 213643);(G) 鹵素配體保護(hù)/活化超原子團(tuán)簇(Chem. Sci. 2016, 7, 3067) 

  近期,在姚建年院士指導(dǎo)下,研究團(tuán)隊(duì)與北大深圳化學(xué)院潘鋒教授、清華大學(xué)李雋教授等合作,發(fā)現(xiàn)并氣相合成了一種具有特殊穩(wěn)定性的類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的金屬氧立方中性團(tuán)簇Co13O8,理論研究表明該團(tuán)簇具有獨(dú)特的立方芳香性(圖2)。他們進(jìn)一步揭示了其獨(dú)特的穩(wěn)定性與體心立方結(jié)構(gòu)、突出的前線軌道能隙、乃至芳香性相關(guān),并討論了從二十面體Co13到立方Co13O8的結(jié)構(gòu)演化的熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程;通過(guò)計(jì)算其核獨(dú)立化學(xué)位移與磁感應(yīng)電流密度,結(jié)合電子結(jié)構(gòu)及軌道分析,深入詮釋了Co13O8的立方芳香性及其化學(xué)本質(zhì)。這類(lèi)新型的氧鈍化金屬團(tuán)簇(Oxygen-passivated metal cluster)有望用作新材料基因,研究人員將其命名為“金屬氧立方”(metalloxocubes)。相關(guān)工作發(fā)表在National Science Review期刊上,第一作者是博士研究生耿麗君。 

 

圖2. 中性Con純金屬團(tuán)簇質(zhì)譜分布及其與大量氧氣反應(yīng)后的質(zhì)譜;插圖為Co13O8氧立方結(jié)構(gòu)及其芳香性描述 

參考資料:

【1】Co13O8—Metalloxocubes: A new class of perovskite-like neutral clusters with cubic aromaticity ,Lijun Geng, Mouyi Weng, Cong-Qiao Xu, Hanyu Zhang, Chaonan Cui, Haiming Wu, Xin Chen, Mingyu Hu, Hai Lin, Zhen-Dong Sun ... ,National Science Review,nwaa201, https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa201

【2】中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所:http://www.iccas.ac.cn/xwzx/kyjz/202010/t20201029_5723862.html

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