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《德国应用化学》报道我校张献明教授团队在金属纳米团簇领域最新研究成果

发布日期:2024-01-03    作者:     来源:     点击:

近日,国际化学顶级期刊《德国应用化学》(Angew Chemie International Edition)以“Cocrystallization-driven Formation of fcc-based Ag110 Nanocluster with Chinese Triple Luban Lock Shape”为题,在线报道了我校美高梅mgm1888-官方网站-App Store、文物化学研究院张献明教授团队联合德国弗莱堡大学Michael Walter博士在金属纳米团簇领域的最新研究成果。张献明教授和Michael Walter博士为通讯作者,曲梅副教授为论文的第一作者,我校为第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、山西省1331工程项目经费的支持。

发展具有特殊结构与独特性能的新型团簇,对在原子水平上深刻认识和理解团簇形成机理、演变规律、稳定化机制及物质转化的规律具有重要意义。从化学仿生学到拟人化分子设计,在分子水平上实现数学、工程、艺术、哲学等领域的统一无疑一直是化学家的追求,而且极具挑战性。鲁班锁,又称阴阳锁,采用木质榫卯结构制成,起源于中国古代,距今已有7000多年的历史。在建筑、美学、工程、科学等领域具有重要意义。结构复杂多样,有八角球、方锁、三通锁、梅花锁、鲁班球、笼锁等,极其精美,又称中国魔方,与鲁比克魔方显著不同。从化学合成的角度来看,如果在分子水平上构建具有鲁班锁构型的化合物,其结构也可能表现出类似于鲁班锁的高对称性和结构稳定性,可用于催化及其它领域。遗憾的是,由于鲁班锁结构复杂精巧,至今尚未见报道。

图1. 九种经典中国传统鲁班锁结构

对于银团簇,金属核通常由四面体、八面体、十面体、十二面体和二十面体等构成。理论上,如果采用多个次级建筑单元的有效组合来构造高核银团簇,可以实现更复杂的经典结构模拟和探索,例如鲁班锁结构。以最简单的好汉锁为例,其结构非常接近块状金属和团簇中典型的面心立方(fcc)结构。

图2. Ag110结构剖析及配位模式图

在这项工作中,报道了两个共晶型结构相关的原子精确面心立方(fcc)基银纳米团簇Ag110(SPhF)48(PPh3)12的(Ag110)和Ag146-S)(SPhF)12(PPh3)8(Ag14)。 值得注意的是,Ag110团簇是第一个在分子水平上模拟复杂鲁班锁结构的化合物。同时,Ag110是目前报道的最大的fcc基银纳米团簇,迄今为止,还没有超过100个银原子的fcc银纳米团簇的先例。在Ag110簇中,Ag原子排列成高度对称的球形核壳结构,组成内核的110个金属原子可分为三类:Ag62、Ag36和Ag12。最内层的62个Ag原子(蓝色)由三部分组成,包括两个Ag29和一个Ag28单元。Ag62的结构与经典的三重鲁班锁—好汉锁的结构有着惊人的相似性。Ag62还直接参与fcc结构的构建,以典型的理想fcc Ag14和有缺陷的Ag13作为基本构筑块。DFT计算表明Ag110是一个具有1S21P61D102S21F142P61G18电子闭壳层的58电子超原子。Ag110•Ag14可以在4分钟内快速催化4-硝基苯酚的还原。

此外,本研究发现,当金属内核数量超过100时,{111}面将首先摆脱fcc特征,同时该晶面不再受到PAgS3基序的限制。Ag110纳米团簇为金属内核从面心立方堆积到准球形超原子转变的临界尺寸和机制提供了清晰的结构证据,也为研究银纳米团簇的成核机制和结构组装提供了重要的结构模型。

全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202318390


曲梅副教授简介:

曲梅,副教授,博士,硕士生导师。2012年7月于山西师范大学获得学士学位,2015年7月于山西师范大学获得硕士学位,2019年7月于山西大学获得博士学位。博士学位论文《炔、膦保护的货币金属团簇的合成与表征》荣获2019年山西省优秀博士学位论文。2019年7月进入山西师范大学美高梅mgm1888-官方网站-App Store工作。科研上主要侧重于单层配体保护的金属纳米团簇合成及性能方面的研究,曾成功合成首例结构精确的全炔保护的Ag74纳米团簇(J. Am. Chem. Soc., 2017,139, 12346)和首例非FCC密堆积的Cu53纳米团簇(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 6507)。以第一或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Langmuir、Chin. J. Chem.等国内外著名权威期刊上发表学术论文8篇。主持国家自然科学基金青年项目1项。作为主要研究人员,参与国家自然科学基金面上项目1项,参与国家自然科学基金重大研究计划1项。荣获2020年度山西省自然科学奖一等奖1项(4/5)和2021年山西省教学成果奖二等奖1项(3/5)。主讲《无机化学》、《无机化学实验》、《无机及分析化学》、《无机及分析化学实验》等课程。2022年1月获山西师范大学第二届课程思政微课比赛一等奖1项。2023年12月入选山西师范大学“青苗人才”。


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