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北大深研院新材料學院與中科院化學所合作發現新型“金屬氧立方”團簇
日期:2020-11-09 14:04:18 新材料學院 點擊:

“一代材料、一代產業”。新材料是電子信息、新能源、生物醫藥、航天航空等新興戰略產業的基礎。就像生命體中基因研究類似,新材料可以解構為結構基元、相互鏈接和作用、排序與對稱性等“材料基因”。新型的結構基元和團簇探索和發現是材料基因研究的基礎。

中科院化學所與北大深圳研究生院聯合團隊(姚建年院士、潘鋒教授、駱智訓研究員)基於自主研製的深紫外儀器平台並結合量子化學計算,發現了具有特殊穩定性的類鈣鈦礦結構中性團簇Co13O8,是新型的“金屬氧立方”(metalloxocubes)團簇,具有獨特的立方芳香性,這類新型的氧鈍化金屬團簇有望用作新型“基因”開發新材料。研究成果以題為“Co13O8—metalloxocubes: A new class of perovskite-like neutral clusters with cubic aromaticity”最近發表在《國家科學評論》(National Science Review,doi.org/10.1093/nsr/nwaa201)研究論文。

圖1. Co13O8團簇結構及芳香性示意圖

研究團隊使用先進的皮秒脈寬177.3nm深紫外激光高效光電離質譜(DUV-LIMS)技術,氣相合成了一系列Con團簇,並觀測了中性鈷團簇與氧氣的反應,從中發現了具有特殊穩定性的幻數團簇Co13O8(如下圖)。

圖2. A 為純的中性Con團簇質譜分佈;B/C 為Con團簇與中量及大量氧氣反應後質譜分佈;插圖為儀器制樣方法與Co13O8氧立方的NICS芳香性描述。

為了研究Co13O8團簇的幾何結構及化學/物理性質,研究者運用3種不同的計算方法進行結構搜索,發現13個金屬在中心而8個氧原子錨定8個角的金屬氧立方結構(metalloxocubes),其獨特的穩定性與其體心立方結構、突出的前線軌道能隙,乃至芳香性均相關。通過計算其核獨立化學位移與磁感應電流密度,並結合電子結構與軌道分析,研究者還深入詮釋了Co13O8的立方芳香性及其化學本質。

研究者還探索了從二十面體Co13到立方Co13O8的結構演化過程中的熱力學和反應動力學機理。這項研究是從理解原子到宏觀物質的結構演變出發,並由此構建新材料、探索穩定團簇新物種的一次有益嘗試。具有獨特穩定性和立方芳香性的“金屬氧立方”中性氧鈍化金屬團簇有望成為一種合適的候選基因材料。

該工作得到了國家材料基因工程重點研發計劃,廣東省重點實驗室和深圳市科技創新委員會等項目的大力支持。


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