基于超原子分子理论的团簇组装

发布者:信息管理员发布时间:2022-03-10浏览次数:181

金属团簇由于其丰富而独特的理化性质,在材料、能源、环境等领域展现出广泛的应用前景。一些金属团簇表现出很高的稳定性,并且在电子结构及化学反应性质等方面具有与简单原子非常类似的特征,被定义为超原子。以超原子的概念为基础,研究人员提出可以将元素周期表从二维向三维扩展,而由于超原子具有特殊的稳定性,与其它原子或团簇化合时可以保持自身几何结构和电子结构的整体性,因此可以用超原子作为基元,以“自下而上”的方式构建纳米材料。

团簇组装材料是近年来纳米领域的研究热点之一,传统的组装结构中团簇一般通过配体、弱相互作用或原子间成键作用相互连接。超原子分子模型指出金属超原子间可以通过共用部分原子核和若干价电子对形成超价键,提出了超原子相互作用的新模式,并成功解释了一系列二元超原子分子的结构稳定性。

图1 四超原子分子团簇结构示意图

近日,我院程龙玖教授团队基于超原子分子模型,以具有高对成型的二十面体M@Au12 (M = Au, Pt, Ir, Os)团簇为组装基元,设计了一系列具有三超原子、四超原子分子壳层的金属团簇,如图1所示。电子结构分析表明他们具有与简单分子Cl3-, OCl2, O3,CO2和N≡C-C≡N,Cl-C≡C-Cl类似的电子壳层。研究者基于同样的规律,进一步设计了一种具有稳定结构的超原子纳米线,如图2所示。

 图2 (a) [PtAu9(AuCl2)3]n纳米线几何结构; (b) 纳米线结构单元中的超价键; (c) 纳米线能带图

本项研究揭示了超原子组装的电子结构规律,进而为超原子组装材料设计及合成提供了参考。相关工作以Tri- and Tetra-Superatomic Molecules in Ligand-Protected Face-Fused Icosahedral (M@Au12)n (M = Au, Pt, Ir, and Os, and n = 3 and 4) Clusters为题发表于The Journal of Physical Chemistry Letters (2022, 13, 1931-1939),我院教师徐畅和研究生周肄纯为论文的共同第一作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金(21873001, 22103001)、安徽省杰出青年基金、安徽省自然科学基金(2108085QB64)以及安徽省高校自然科学研究项目(KJ2019A0009)的支持。



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