Science！南开大学成功制备全金属富勒烯

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Science！南开大学成功制备全金属富勒烯

来源：南开大学 2023-11-17

导读：11月17日，国际顶级期刊Science在线发表南开大学最新研究成果。该研究题为“An all-metal fullerene:[K@Au12Sb20]5-”，报道了全金属富勒烯[K@Au12Sb20]5-的合成及成键机制（图1-2），展示了一种全新的化合物合成技术以及对金属键的精准调控在结构化学中的应用，为新材料的创制提供了崭新的研究思路。这一突破性成果凸显了南开大学在合成化学及主族金属元素配位化学领域的重要地位。

11月17日，国际顶级期刊Science在线发表南开大学最新研究成果。该研究题为“An all-metal fullerene:[K@Au₁₂Sb₂₀]^5-”，报道了全金属富勒烯[K@Au₁₂Sb₂₀]^5-的合成及成键机制（图1-2），展示了一种全新的化合物合成技术以及对金属键的精准调控在结构化学中的应用，为新材料的创制提供了崭新的研究思路。这一突破性成果凸显了南开大学在合成化学及主族金属元素配位化学领域的重要地位。

图1：全金属富勒烯[K@Au₁₂Sb₂₀]^5-团簇结构示意图；钾原子为紫色，金原子黄色，锑原子为蓝色

自2000年以来，诺贝尔化学奖已经7次颁发给了合成化学领域的科学家，今年更是颁发给了三位为量子点的发现和合成作出原创贡献的科学家。1985年，科学家Smalley等人首次发现了由60个碳原子构成的足球状碳簇C60，也被称为富勒烯。正是因为这一重大科学发现，他们在1996年获得了诺贝尔化学奖。

因具有独特的高度对称的结构、特殊的物理性质以及多种多样的化学反应特性，富勒烯自被发现以来一直备受瞩目，使得人们不断探索其在不同领域的应用。富勒烯的成键特性也被逐渐扩展到无机合成化学领域，理论上预测无机富勒烯将表现出非同寻常的稳定性和反应性，这激发了科学家们的极大兴趣，但其合成依然面临巨大挑战。

南开大学材料科学与工程学院孙忠明教授课题组通过研发一种新的合成方法，将高温固相合成与金属有机化学跨相结合，成功制备了全金属富勒烯[K@Au₁₂Sb₂₀]^5-。

这一化合物呈现出接近阿基米德十二面体的结构，每一面皆由内含一个金原子的锑五边形平面构成，内径约为0.90纳米，略大于C60分子的直径（0.71纳米）。在这个相对较大的团簇空腔内，仅内嵌了一个钾离子，并且团簇整体无需有机配体的保护，其结构依然能够具有很好的化学稳定性，这使其成为迄今为止配位环境最接近富勒烯的纯无机化合物。

图2：[K@Au₁₂Sb₂₀]^5-团簇的成键模式及分子轨道

这一裸露的重金属球状团簇的稳定性得以实现，一方面归因于中心的钾离子起到了模板支撑作用，另一方面，金-锑之间独特的异金属键在维持整体结构完整性方面发挥了至关重要的作用（图2）。

图3：[K@Au₁₂Sb₂₀]^5-的电子结构分析

理论计算结果显示，该分子的最显著特征之一是其三维球芳香电子结构，这导致在团簇表面形成了一层离域 π 电子云，赋予全金属富勒烯化合物独特的物理化学特性（图3）。这一发现有望在光电材料或室温催化等领域发挥重要作用，具备广泛的应用潜力。

美国化学与工程新闻报道这一研究工作时认为，这种无机富勒烯可能有助于化学家设计并合成其他精密构造的纳米结构。德国图宾根大学化学家Andreas Schnepf教授表示，这种分子具有引人注目的键合特性，他认为这些团簇在溶液中可能展现出有趣的反应性和应用潜力。

南开大学材料科学与工程学院博士研究生徐毓贺是本论文的第一作者，孙忠明教授为论文通讯作者。该工作得到了山西大学田文娟博士、智利圣塞巴斯蒂安大学Muñoz-Castro教授以及德国马尔堡大学Frenking教授在理论计算方面的重要辅助支持。其他相关数据分析得到了王学斌教授、徐骏副教授、李宁博士的支持。

该研究还得到了国家自然科学基金委、天津市科学技术局和南开大学有关项目资助。