骆智训课题组在团簇超原子用于新材料基因的研究方面取得进展

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腐蚀、防腐以及催化等化学化工过程都涉及金属团簇的研究，团簇已成为了化学和材料研究的前沿和热点。深入理解原子到分子、团簇、纳米结构、再到宏观物质的结构和功能演变，将有力地推动化学走向"微观化"、"精准化"和"交叉融合"。
　　在国家自然科学基金委、财政部、中国科学院的支持下，化学所分子动态与稳态结构实验室骆智训研究员课题组研制了多套团簇科学仪器装置，在金属团簇与超原子的高效制备及反应性研究方面取得了系列进展 (图1)。团簇超原子作为一类具有固定几何结构和电子结构的类比于原子的团簇(Acc. Chem. Res. 2014, 47, 2931-2940)，可以通过金属团簇精准化学反应(Chem. Rev. 2016, 116, 23, 14456)，设计具有团簇基因的功能新材料(Coord. Chem. Rev., 2019, 400, 213053)，不仅可应用于催化，也有望拓展至更广泛的光化学、自旋电子学等领域，体现从“超原子化学”到“团簇材料基因”的新视角(Coord. Chem. Rev., 2020, CCR_213643)。

图1. (A) 自主研制的国家重大仪器（深紫外二期子项目）DUV+IR质谱光谱仪；(B) 狭义和广义超原子概念的提出 (Acc. Chem. Res. 2014,47, 2931); (C) 基于科学院仪器研制项目支持的离子层流反应管串联自定义多重四极质谱系统；(D) 开壳层超原子团簇Cu18-的发现 (J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 5807); (E/F) 金属团簇应用于材料基因 (Coord. Chem. Rev., 2019, 400, 213053; 2020, 213643)；(G) 卤素配体保护/活化超原子团簇（Chem. Sci. 2016, 7, 3067）

图2. 中性Con纯金属团簇质谱分布及其与大量氧气反应后的质谱；插图为Co13O8氧立方结构及其芳香性描述

　　近期，在姚建年院士指导下，研究团队与北大深圳化学院潘锋教授、清华大学李隽教授等合作，发现并气相合成了一种具有特殊稳定性的类钙钛矿结构的金属氧立方中性团簇Co13O8，理论研究表明该团簇具有独特的立方芳香性（图2）。他们进一步揭示了其独特的稳定性与体心立方结构、突出的前线轨道能隙、乃至芳香性相关，并讨论了从二十面体Co13到立方Co13O8的结构演化的热力学和反应动力学过程；通过计算其核独立化学位移与磁感应电流密度，结合电子结构及轨道分析，深入诠释了Co13O8的立方芳香性及其化学本质。这类新型的氧钝化金属团簇（Oxygen-passivated metal cluster）有望用作新材料基因，研究人员将其命名为“金属氧立方”（metalloxocubes）。相关工作发表在National Science Review期刊上(https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa201)，第一作者是博士研究生耿丽君。

　　  

　　分子动态与稳态结构院重点实验室

　　2020年10月29日

        文章来源：化学所

        骆智训，博士，研究员，博士生导师，中国科学院化学研究所分子动态稳态结构国家重点实验室。2013年入选中科院化学所"引进国外杰出青年人才计划"，中国科学院大学兼职教授，目前担任《中国化学快报》第二届青年编委会物理化学专业委员会副主任。2009年中国科学院院长优秀奖，2016年度中国科学院杰出科技成就奖（主要完成者之一）。主要以金属团簇和分子聚集体为研究对象，围绕物理化学基础科学问题以及介观凝聚态材料与光谱学性质开展研究工作。在团簇结构稳定性、团簇反应活性等方面做出了一些突出研究成果，提出了狭义和广义超原子的概念，并把金属价键理论和团簇研究方法运用到弱键合作用的有机分子聚集体研究中，在包括J. Am. Chem. Soc.(3篇), Angew. Chem. Int. Ed.(1篇), Chem. Sci. (1篇) 等国际权威化学期刊上发表第一作者和通讯作者学术论文70余篇，并应邀给Chem. Rev. (1篇)和Acc. Chem. Res. (1篇)撰写重要综述。文章多次被X-Mol资讯和Nature China引载报道。自主研制国际创新的大型科学仪器3套。应邀撰写学术论著2章。