近日，我所化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)全國重點實驗室團簇光譜與動力學(xué)研究組（2506組）江凌研究員、李剛副研究員團隊聯(lián)合清華大學(xué)李雋教授團隊、美國布朗大學(xué)王來生教授團隊，利用自主研制的基于大連相干光源的中性團簇實驗站，在硼團簇的光電離效率光譜研究中發(fā)現(xiàn)了最小三維中性硼團簇是由9個硼原子組成，為系統(tǒng)研究中性硼基納米團簇的結(jié)構(gòu)演化機制提供了新思路。
硼由于缺電子性質(zhì)而具有復(fù)雜多樣的化學(xué)性質(zhì)，在材料、催化和能源等諸多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。在過去的二十年里，科研人員對帶有電荷的離子型硼團簇開展了廣泛的實驗研究。與離子型硼團簇相比，中性硼團簇由于沒有電荷，難于探測和質(zhì)量選擇，使得實驗研究更加具有挑戰(zhàn)性。因此，實現(xiàn)中性硼團簇的光譜表征是科研人員長期以來的目標(biāo)之一。
為實現(xiàn)對中性團簇的精準(zhǔn)探測和結(jié)構(gòu)解析，江凌和李剛團隊近年來自主研制了基于大連相干光源的中性團簇實驗站（Review of Scientific Instruments，2020），實現(xiàn)了質(zhì)量選擇中性團簇的高靈敏譜學(xué)探測、結(jié)構(gòu)表征和反應(yīng)性能研究，發(fā)現(xiàn)了最小水滴立體結(jié)構(gòu)是由五個水分子團簇組成（Proc. Natl. Acad. Sci.，2020）。這一獨特的實驗方法為研究各類中性團簇開辟了新途徑。
本工作中，江凌和李剛團隊與王來生團隊合作，利用基于大連相干光源的中性團簇實驗站，測定了一系列中性硼團簇的光電離效率光譜。實驗結(jié)果表明，B9的第一和第二電離勢（IP1和IP2）分別為8.45±0.02eV和9.61±0.02eV。李雋團隊利用自編的TGMin程序結(jié)合高精度的量子化學(xué)理論方法，計算了硼團簇的各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和電離勢，理論與實驗結(jié)果高度吻合。研究表明，B9的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是具有D7h對稱性的七角雙錐構(gòu)型，表明在中性B9團簇中已經(jīng)形成了三維結(jié)構(gòu)，這與B9-負(fù)離子硼團簇的平面分子輪結(jié)構(gòu)完全不同。成鍵分析表明，在中性B9團簇中，封帽B原子間的B-B單電子鍵對穩(wěn)定B9的七角雙錐結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。該工作揭示了最小中性硼團簇三維結(jié)構(gòu)是由9個硼原子組成，突破了科研人員長期以來對中性硼團簇的研究瓶頸，為揭示硼基納米團簇的結(jié)構(gòu)演化奧秘提供了新的可能。
相關(guān)研究成果以“Observation of the Smallest Three-Dimensional Neutral Boron Cluster”為題，發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上。該工作的共同第一作者是南方科技大學(xué)副教授許聰俏和我所2506組博士研究生王天通。該工作得到科技部科技創(chuàng)新2030-重大項目、國家自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金委“動態(tài)化學(xué)前沿研究”基礎(chǔ)科學(xué)中心項目等項目的資助。（文/圖 許聰俏、王天通）
