骆智训课题组在碳化钛团簇超原子材料研究方面取得新进展

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过渡金属碳化物材料，如碳化钛，已广泛应用于储能、催化反应、极端耐磨性特殊涂层和陶瓷材料等领域。目前已发现的稳定碳化钛物种主要包括三类：立方相TiC固体，二维TixCy Mxenes以及 Ti8C12金属碳烯(Met-Cars)团簇。然而，是否存在其它化学形式的碳化钛新材料，如何精准调控其几何和电子结构并优化其构效关系，具有重要的科学意义和应用价值。

图1 （a）基于自主研制仪器（DUV-IR-TOFMS-VMI）制备的中性Tin（n=1-35）团簇及其与乙炔反应的质谱。（b/c）Ti17C2和Ti19C10团簇的NPA电荷分析。（d）基于AdNDP分析体现局域芳香性的多中心键组成。（e）Ti17C2吸附28个H2分子的电荷密度差分图

        在国家自然科学基金委、中国科学院和北京市自然科学基金委的支持下，化学研究所分子动态与稳态结构实验室骆智训研究员课题组在自主研制的团簇科学仪器装置上，围绕金属团簇的精准制备及其气相反应研究，发现了一系列具有特殊稳定性和独特性质的狭义与广义超原子团簇新物种（Acc. Chem. Res. 2014,47,2931–2940;Coord. Chem. Rev. 2024,500,215505;J. Phys. Chem. Lett. 2024,15,1856–1865）。近期，该课题组首次制备了高分辨的纯金属中性Tin（n=1-35）团簇，并观测了其与C2H2的反应，发现Ti8C12,Ti17C2以及Ti19C10具有突出的化学惰性（图1）。其中，两个新的碳化钛团簇Ti17C2和Ti19C10，它们比Ti8C12金属碳烯（Met-Cars）具有更显著的质量丰度。基于USPEX的全局结构搜索发现这两个团簇分别具有灯笼状D4d对称结构和棒状D5h结构，包含规则Ti4C单元并展现出显著的超原子特征。进一步的结构和成键分析表明它们具有独特的局域芳香性和全局反芳香性特征，这类新型的碳掺杂超原子钛团簇具有良好的储氢性能，为设计开发碳化钛新材料提供了原子精准的策略。
         该项工作对Met-Cars和超原子金属碳化物团簇稳定性的深入探究，不仅拓宽了对金属碳化物结构的认识，也丰富了亚纳米尺度过渡金属电子构型和化学键合作用的基础理论。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc.期刊上（论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c01068）。论文第一作者是助理研究员崔超男，通讯作者是南京大学马晶教授和化学所骆智训研究员。
        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。