腐蝕、防腐及催化等化學(xué)化工過程均涉及金屬團(tuán)簇的研究，團(tuán)簇已成為化學(xué)和材料研究的前沿和熱點。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，將推動化學(xué)走向“微觀化”、“精準(zhǔn)化”和“交叉融合”。
在國家自然科學(xué)基金委、財政部、中國科學(xué)院的支持下，中科院化學(xué)研究所分子動態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)實驗室研究員駱智訓(xùn)課題組研制出多套團(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)性研究中取得系列進(jìn)展（圖1）。團(tuán)簇超原子作為一類具有固定幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的類比于原子的團(tuán)簇（Acc. Chem. Res. 2014，47，2931-2940），可通過金屬團(tuán)簇精準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)（Chem. Rev. 2016，116，23，14456），設(shè)計具有團(tuán)簇基因的功能新材料（Coord. Chem. Rev. 2019，400，213053），可應(yīng)用于催化，并且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）。
近期，在中科院院士、化學(xué)所研究員姚建年的指導(dǎo)下，研究團(tuán)隊與北大深圳化學(xué)院教授潘鋒、清華大學(xué)教授李雋等合作，發(fā)現(xiàn)并氣相合成一種具有特殊穩(wěn)定性的類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的金屬氧立方中性團(tuán)簇Co13O8。理論研究表明，該團(tuán)簇具有獨特的立方芳香性（圖2）。研究進(jìn)一步揭示其獨特的穩(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)，討論從二十面體Co13到立方Co13O8的結(jié)構(gòu)演化的熱力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)過程；通過計算其核獨立化學(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，詮釋Co13O8的立方芳香性及其化學(xué)本質(zhì)。這類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)研究成果發(fā)表在National Science Review，博士研究生耿麗君為論文第一作者。
圖1.（A） 自主研制的國家重大儀器（深紫外二期子項目）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）
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
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