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Science！南開大學成功制備全金屬富勒烯

來源：南開大學 2023-11-17

導讀：11月17日，國際頂級期刊Science在線發表南開大學最新研究成果。該研究題為“An all-metal fullerene:[K@Au12Sb20]5-”，報道了全金屬富勒烯[K@Au12Sb20]5-的合成及成鍵機制（圖1-2），展示了一種全新的化合物合成技術以及對金屬鍵的精準調控在結構化學中的應用，為新材料的創制提供了嶄新的研究思路。這一突破性成果凸顯了南開大學在合成化學及主族金屬元素配位化學領域的重要地位。

11月17日，國際頂級期刊Science在線發表南開大學最新研究成果。該研究題為“An all-metal fullerene:[K@Au₁₂Sb₂₀]^5-”，報道了全金屬富勒烯[K@Au₁₂Sb₂₀]^5-的合成及成鍵機制（圖1-2），展示了一種全新的化合物合成技術以及對金屬鍵的精準調控在結構化學中的應用，為新材料的創制提供了嶄新的研究思路。這一突破性成果凸顯了南開大學在合成化學及主族金屬元素配位化學領域的重要地位。

圖1：全金屬富勒烯[K@Au₁₂Sb₂₀]^5-團簇結構示意圖；鉀原子為紫色，金原子黃色，銻原子為藍色

自2000年以來，諾貝爾化學獎已經7次頒發給了合成化學領域的科學家，今年更是頒發給了三位為量子點的發現和合成作出原創貢獻的科學家。1985年，科學家Smalley等人首次發現了由60個碳原子構成的足球狀碳簇C60，也被稱為富勒烯。正是因為這一重大科學發現，他們在1996年獲得了諾貝爾化學獎。

因具有獨特的高度對稱的結構、特殊的物理性質以及多種多樣的化學反應特性，富勒烯自被發現以來一直備受矚目，使得人們不斷探索其在不同領域的應用。富勒烯的成鍵特性也被逐漸擴展到無機合成化學領域，理論上預測無機富勒烯將表現出非同尋常的穩定性和反應性，這激發了科學家們的極大興趣，但其合成依然面臨巨大挑戰。

南開大學材料科學與工程學院孫忠明教授課題組通過研發一種新的合成方法，將高溫固相合成與金屬有機化學跨相結合，成功制備了全金屬富勒烯[K@Au₁₂Sb₂₀]^5-。

這一化合物呈現出接近阿基米德十二面體的結構，每一面皆由內含一個金原子的銻五邊形平面構成，內徑約為0.90納米，略大于C60分子的直徑（0.71納米）。在這個相對較大的團簇空腔內，僅內嵌了一個鉀離子，并且團簇整體無需有機配體的保護，其結構依然能夠具有很好的化學穩定性，這使其成為迄今為止配位環境最接近富勒烯的純無機化合物。

圖2：[K@Au₁₂Sb₂₀]^5-團簇的成鍵模式及分子軌道

這一裸露的重金屬球狀團簇的穩定性得以實現，一方面歸因于中心的鉀離子起到了模板支撐作用，另一方面，金-銻之間獨特的異金屬鍵在維持整體結構完整性方面發揮了至關重要的作用（圖2）。

圖3：[K@Au₁₂Sb₂₀]^5-的電子結構分析

理論計算結果顯示，該分子的最顯著特征之一是其三維球芳香電子結構，這導致在團簇表面形成了一層離域 π 電子云，賦予全金屬富勒烯化合物獨特的物理化學特性（圖3）。這一發現有望在光電材料或室溫催化等領域發揮重要作用，具備廣泛的應用潛力。

美國化學與工程新聞報道這一研究工作時認為，這種無機富勒烯可能有助于化學家設計并合成其他精密構造的納米結構。德國圖賓根大學化學家Andreas Schnepf教授表示，這種分子具有引人注目的鍵合特性，他認為這些團簇在溶液中可能展現出有趣的反應性和應用潛力。

南開大學材料科學與工程學院博士研究生徐毓賀是本論文的第一作者，孫忠明教授為論文通訊作者。該工作得到了山西大學田文娟博士、智利圣塞巴斯蒂安大學Mu?oz-Castro教授以及德國馬爾堡大學Frenking教授在理論計算方面的重要輔助支持。其他相關數據分析得到了王學斌教授、徐駿副教授、李寧博士的支持。

該研究還得到了國家自然科學基金委、天津市科學技術局和南開大學有關項目資助。