image: （左）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Nbn+团簇与CO反应物反应后形成Nbn(CO)m+（m=0-8）的质量丰度。（右）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。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
近日，《国家科学评论》杂志在线发表了中科院化学所骆智训博士研究组的研究成果，该研究团队发现了全金属空心笼团簇Nb12+铌球烯的特殊稳定性，并阐明了其d电子构造超原子态的化学机制。
过渡金属粒子被广泛地应用于催化和新料等不同领域。这些体系中有关金属-金属键的形成和晶体场劈裂等是深入认识其构效关系的关键，然而其精准化的微观化学机制多数情况下还不是非常清楚。金属团簇反应能够在原子精度上充分揭示纳米材料的结构-性质关系和纳米催化剂的反应机制。然而，没有配体保护的纯金属团簇的制备相对困难，单个原子甚至单个电子的差异常常导致其结构、稳定性和反应活性的不同，准确测定并深入理解为什么一个团簇比另一种团簇更惰性或活性并不是一件简单的事情。
超原子概念和相关理论的建立为金属团簇的稳定性和反应性的研究带来了极大的便利。目前，基于金属自由电子气体理论的凝胶模型，s区和p区金属团簇的电子离域和超原子特性已经有了清晰的认识。然而，超原子理论应用于过渡金属团簇，目前还有待深入。
近年来，骆智训博士的研究小组在制备纯金属团簇方面取得了突破进展。最近在研究铌团簇与CO的反应中，他们发现Nb12+团簇表现出奇异的化学惰性。基于第一性原理计算查证了该团簇具有类似于富勒烯的全金属空心笼状结构，作者第一次将其命名为“铌球烯”并充分阐述了其超原子稳定性，揭示了d轨道杂化形成超原子S轨道的新观点。该“铌球烯”团簇新物种由于其对CO反应的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新的思路。
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研究详情请见原文：
Nb12+——Niobespherene: a full-metal hollow cage cluster with superatomic
stability and resistant to CO attack
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac197
Journal
National Science Review