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該論文報道了金屬鈦摻雜的硼氮富勒烯的奇特結(jié)構(gòu)，顛覆了人們普遍持有的認(rèn)為硼氮金屬富勒烯屬于內(nèi)嵌復(fù)合物的觀點(diǎn)。他們通過高級別的DFT計(jì)算系統(tǒng)地研究了一系列 Ti(BN)n 復(fù)合物 (2n = 24-48)，驚訝地發(fā)現(xiàn)Ti原子強(qiáng)烈地傾向于從外部與籠子結(jié)合而不是被包裹在富勒烯籠內(nèi)。計(jì)算表明，在典型的制備硼氮團(tuán)簇的條件下，金屬從外部與籠子結(jié)合是顯著的自發(fā)過程，而金屬籠內(nèi)結(jié)合的分子結(jié)構(gòu)則無法自發(fā)形成。這與金屬和碳富勒烯的結(jié)合方式形成鮮明對比。

 為解釋這一出乎意料的結(jié)果，他們系統(tǒng)研究了Ti(BN)n 復(fù)合物的大量可能的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了決定其穩(wěn)定性的成鍵特征。最值得注意的是，在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中，四價鈦原子與籠上六邊形的兩平行邊上的四個氮原子進(jìn)行配位，這種鍵合方式既有利于金屬-配體軌道相互作用，又能保持籠形框架的最小形變。這就使得在金屬摻雜后，硼氮納米籠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和B, N原子的排列方式都發(fā)生了重大變化。摻雜了金屬的籠子出現(xiàn)了如五元環(huán)、七元環(huán)等罕見的面，而這些奇數(shù)環(huán)在純的硼氮富勒烯中是不存在。另一方面，B, N原子的重新排列導(dǎo)致兩個B—B鍵的出現(xiàn)。這些“反位點(diǎn)”可能在捕獲二氧化碳和固氮等方面具有潛在的應(yīng)用價值。

作者還提出了低能碰撞誘導(dǎo)解離的實(shí)驗(yàn)方案，來證實(shí)金屬硼氮富勒烯的籠外結(jié)合結(jié)構(gòu)。在采用10 eV左右的碰撞能時，如果在質(zhì)譜圖中僅檢測到Ti +離子信號，就證明復(fù)合物是籠外結(jié)合的。如果金屬是內(nèi)部結(jié)合的，則將需要更高的激發(fā)能，并且還可能觀察到母籠的碎片。

該發(fā)現(xiàn)可能會拓展或改變?nèi)藗儗饘俟δ芑呐鸬{米結(jié)構(gòu)的理解，并激發(fā)人們對該課題進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和理論探索。碩士研究生李如意為該文的第一作者，汪洋教授為通訊作者。本研究得到獲得了校優(yōu)勢學(xué)科和學(xué)科特區(qū)等項(xiàng)目資助。

論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-019-12877-0

Modification of boron nitride nanocages by titanium doping results unexpectedly in exohedral complexes

Ruyi Li & Yang Wang

Nat. Commun., 2019, 10, 4908, DOI: 10.1038/s41467-019-12877-0