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Science 子刊：香港科技大学陈藤藤教授团队&加州大学圣地亚哥分校李婉璐教授团队揭示超稳定团簇分子 Bi₁₈⁻的氧化抗性

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-11-07 14:20

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香港科技大学陈藤藤教授团队与加州大学圣地亚哥分校李婉璐教授团队通过跨学科协作发现了超稳定的铋团簇分子Bi₁₈⁻，并以《On the Remarkable Resistance to Oxidation by the Bi₁₈⁻ Cluster》为题，将研究成果发表在 Science Advances。

背景介绍

团簇是由少量原子聚集而成的微观结构，被视为物质从原子、分子尺度向宏观材料过渡的重要形态。理解团簇的稳定性并寻找具备特殊性质的新型分子材料是该领域的核心课题之一。传统理论指出，金属团簇的稳定性与其价电子总数息息相关：偶数价电子团簇通常表现出更高稳定性，而奇数价电子团簇则化学活性较强。然而，此次研究发现，Bi₁₈⁻团簇尽管拥有奇数价电子，却表现出超凡的氧化抗性，打破了传统理论的预期。

图文解析

图1. A. Bi_n^- (n = 2-30)）与氧气分子（O₂）的反应性，B. Bi₁₈^-光电子能谱（实验及理论模拟比照），C. 最稳定Bi₁₈^-结构，D. 离域电子结构分析，E. 囚禁团簇离子电子衍射谱。

为研究铋团簇的稳定性和反应性，同济大学邢小鹏教授课题组检测了铋元素阴离子团簇（Bi_n^- (n = 2-30)）与氧气分子（O₂）的反应性，观察到奇偶振荡的预期趋势，并发现了一个异常稳定的铋团簇分子—Bi₁₈^-。尽管Bi₁₈^-具有奇数价电子，它几乎不与氧气发生反应，表现出超乎寻常的稳定性。

接下来美国布朗大学王来生教授和香港科技大学陈藤藤教授利用激光溅射磁瓶光电子能谱仪对Bi₁₈^-的电子结构进行了表征。美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）李婉璐教授团队通过组内开发的结构预测程序SDGMS（accessible upon request），对团簇的稳定结构进行了大量的结构搜索并通过对最稳定结构的化学键分析与光谱模拟，揭示了 Bi₁₈^-的独特几何和电子结构。通过理论模型的精细分析，Bi₁₈^- 被发现由两个 Bi₈ 笼状结构通过两个 Bi 原子相连而成，每个 Bi 原子均处于饱和的三配位状态。该结构被德国卡尔斯鲁厄理工学院的Manfred M. Kappes教授和Detlef Schooss教授的实验团队通过囚禁团簇离子电子衍射技术进一步验证。 UCSD 团队通过理论分析，揭示了这种结构不仅稳定性极高，还展示出 0.89 电子伏特的 HOMO-LUMO 能级间隙。同时，计算分析精确描述了 Bi₁₈⁻ 的电子分布和轨道离域特性，为该团簇的超稳定性提供了理论依据。第一性原理动力学模拟发现O₂分子在考虑温度效应后会自发从Bi₁₈⁻ 解离，进一步佐证了其抗氧化特性。

跨学科协作与未来展望

该发现离不开国际科研团队的合作。布朗大学王来生教授与香港科技大学陈藤藤教授通过激光溅射磁瓶光电子能谱表征了 Bi₁₈^-的电子结构，德国卡尔斯鲁厄理工学院的 Detlef Schooss 教授团队使用电子衍射技术进一步探究其几何构型。加州大学圣地亚哥分校作为理论计算团队，提供了深度解析使得该团簇的稳定性机理得以阐明。Bi₁₈^- 的发现拓展了对铋团簇的认识，使其有望成为继 C₆₀、Al₁₃ 等著名团簇之后的新型超稳定分子，并为未来基于 Bi 笼构建纳米结构和铋的全新同素异形体带来了希望。

论文信息

该研究成果以《On the Remarkable Resistance to Oxidation by the Bi₁₈⁻ Cluster》为题，发表在Science Advances上，链接为：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads4724

同济大学化学系马骏博士、香港科技大学陈藤藤教授和加州大学圣地亚哥分校访问学者李泓霖博士为论文的共同第一作者。香港科技大学陈藤藤教授、德国卡尔斯鲁厄理工学院纳米科技研究院的Detlef Schooss教授、加州大学圣地亚哥分校李婉璐教授、同济大学邢小鹏教授以及布朗大学王来生教授为论文的共同通讯作者。

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