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课题组受邀在Accounts of Chemical Research发表富勒烯-金属团簇研究的述评文章
发布者: 侯高垒 | 2024-04-25 | 8076

最近,受Accounts of Chemical Research主编邀请,课题组对近年来在富勒烯-金属团簇结构、光谱与性质方面的研究工作进行了述评。富勒烯的发现源自研究人员对星际碳物质的探索,于1985年由Kroto、Smalley和Curl等人首次实验发现,并因此获得1996年诺贝尔化学奖。富勒烯的高稳定性、电子受体特性以及结构可调性,使得富勒烯材料在超导、电子器件、光伏电池、催化和生物医学等领域受到广泛重视。

近年来,课题组与合作者利用双样品靶双束溅射激光团簇束源技术耦合惰性气体标记的红外光解离光谱技术,首次测量了气相富勒烯-金属复合物的高分辨红外光谱;结合量化计算和分子动力学模拟,发现单个钒离子在富勒烯表面的最有利结合位点为五元环上方,其稳定性来自于金属与富勒烯之间的轨道相互作用和静电相互作用,从而回答了“外来一个原子或基团在富勒烯表面的最稳定结合位点是什么”这一基本的物质结构问题(Journal of the American Chemical Society 2023, 145: 22243)。

基于所测量的气相富勒烯-金属复合物的高分辨红外谱,通过与Spitzer空间望远镜得到的天文观测谱比对分析,发现富勒烯-金属复合物可潜在贡献于星际未证认红外发射谱带和弥漫星际谱带(The Astrophysical Journal 2023, 952: 13)。进而,课题组将目前实验测量的所有富勒烯物种的红外特征频率汇编为VibFullerene数据集,利用密度泛函理论计算和统计分析,提出了预测富勒烯物种红外光谱的可靠方法,为詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)搜索这些星际物种提供了重要参考(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023, 525: 3061)。

同时,若将富勒烯看作多孔碳材料的模型,那么原子数精确的富勒烯-金属团簇则可作为碳基载体金属催化剂的模型,从而在团簇催化研究中巧妙地考虑载体效应(Carbon 2022, 197: 535)。通过深入研究C60V+催化水分解生成H2和O2的微观机制,发现C60具有显著的载体效应,不仅可以作为水分解制氢的“摆渡车”(几何效应)帮助氢原子转移和氢气形成(Angewandte Chemie 2021, 60: 27095),而且可以作为“电子海绵”(电子效应)在催化过程中驱动金属中心的价态转变,推动整个催化反应的完成(Cell Report Physical Science 2022, 3: 100910)。

上述相关工作展示了富勒烯-金属团簇的多面性,在天体物理、星际化学和能源催化等领域均具有重要的研究意义。相关述评文章以“Multifacets of Fullerene-metal Clusters: From Fundamental to Application”为题发表在Accounts of Chemical Research上。论文评述了富勒烯-金属团簇研究方面的最新进展,对进一步探索富勒烯-金属团簇体系的超快电荷转移动力学及其在研究天体物理与星际化学、能源催化转化和异质结材料等领域问题的科学意义和潜在价值进行了展望。

论文链接:https://doi.org/10.1021/acs.accounts.4c00130