化学所骆智训课题组在团簇超原子用于新材料基因的研究方面取得进展

腐蚀、防腐以及催化等化学化工过程都涉及金属团簇的研究，团簇已成为了化学和材料研究的前沿和热点。深入理解原子到分子、团簇、纳米结构、再到宏观物质的结构和功能演变，将有力地推动化学走向"微观化"、"精准化"和"交叉融合"。 

在国家自然科学基金委、财政部、中国科学院的支持下，化学所分子动态与稳态结构实验室骆智训研究员课题组研制了多套团簇科学仪器装置，在金属团簇与超原子的高效制备及反应性研究方面取得了系列进展 (图1)。团簇超原子作为一类具有固定几何结构和电子结构的类比于原子的团簇(Acc. Chem. Res. 2014, 47, 2931-2940)，可以通过金属团簇精准化学反应(Chem. Rev. 2016, 116, 23, 14456)，设计具有团簇基因的功能新材料(Coord. Chem. Rev., 2019, 400, 213053)，不仅可应用于催化，也有望拓展至更广泛的光化学、自旋电子学等领域，体现从“超原子化学”到“团簇材料基因”的新视角(Coord. Chem. Rev., 2020, CCR_213643)。 

图1. (A) 自主研制的国家重大仪器（深紫外二期子项目）DUV+IR质谱光谱仪；(B) 狭义和广义超原子概念的提出 (Acc. Chem. Res. 2014,47, 2931); (C) 基于科学院仪器研制项目支持的离子层流反应管串联自定义多重四极质谱系统；(D) 开壳层超原子团簇Cu₁₈^-的发现 (J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 5807); (E/F) 金属团簇应用于材料基因 (Coord. Chem. Rev., 2019, 400, 213053; 2020, 213643)；(G) 卤素配体保护/活化超原子团簇（Chem. Sci. 2016, 7, 3067） 

近期，在姚建年院士指导下，研究团队与北大深圳化学院潘锋教授、清华大学李隽教授等合作，发现并气相合成了一种具有特殊稳定性的类钙钛矿结构的金属氧立方中性团簇Co₁₃O₈，理论研究表明该团簇具有独特的立方芳香性（图2）。他们进一步揭示了其独特的稳定性与体心立方结构、突出的前线轨道能隙、乃至芳香性相关，并讨论了从二十面体Co₁₃到立方Co₁₃O₈的结构演化的热力学和反应动力学过程；通过计算其核独立化学位移与磁感应电流密度，结合电子结构及轨道分析，深入诠释了Co₁₃O₈的立方芳香性及其化学本质。这类新型的氧钝化金属团簇（Oxygen-passivated metal cluster）有望用作新材料基因，研究人员将其命名为“金属氧立方”（metalloxocubes）。相关工作发表在National Science Review期刊上(https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa201)，第一作者是博士研究生耿丽君。 

图2. 中性Co_n纯金属团簇质谱分布及其与大量氧气反应后的质谱；插图为Co₁₃O₈氧立方结构及其芳香性描述