纯金属版富勒烯：研究者发现惰性“铌球烯” | NSR

知社学术圈 2022-12-07

The following article is from 中国科学杂志社 Author 《国家科学评论》

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在研究铌团簇与CO反应的过程中，中科院化学所骆智训博士研究组发现了具有类似于富勒烯的全金属空心笼状结构Nb₁₂⁺，并将其命名为“铌球烯”，这种金属团簇表现出奇异的化学惰性。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。

d电子离域，形成超原子S轨道，为铌球烯提供超原子稳定性

过渡金属粒子广泛应用于催化、新材料等领域。对金属团簇反应的研究，能够在原子精度上揭示此类材料的基础构效关系与化学性质，然而，没有配体保护的纯金属团簇的制备相对困难。为什么单个原子甚至单个电子的差异，就可以导致一种团簇比另一种团簇更具惰性或活性？

近年来，骆智训博士研究组致力于纯金属团簇的制备，并将超原子概念应用其中。最近，在研究铌团簇与CO的反应时，他们发现Nb12+团簇表现出奇异的化学惰性。

基于自主研制仪器(MagS-TQMS)制备的阳离子铌团簇与CO反应前后的典型质谱。插图显示了Nb_n⁺团簇与CO反应物反应后形成Nb_n(CO)_m⁺（m=0-8）的质量丰度。

第一性原理计算表明，该团簇具有类似于富勒烯的全金属空心笼状结构。研究者将其命名为“铌球烯”并充分阐述了其超原子稳定性，提出了d轨道杂化形成超原子S轨道的新观点。

自然原子轨道法显示超原子1S和1Pz轨道主要由铌原子s轨道组成，而Nb₁₂⁺中的超原子轨道2S和2Pz分别则主要由d轨道贡献。同时显示的包括Nb₁₂⁺团簇笼状芳香性的NICS扫描，以及在XY平面上的局部轨道定位投影（LOL）和感应环形电流。

这种“铌球烯”团簇新物种对CO反应具有特殊惰性，为有关含铌催化剂和CO耐受新材料的设计开发提供了新思路。

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