北京大學工學院王前課題組：在多電荷陰離子團簇研究中取得新進展

【成果簡介】

近日，國際知名學術期刊Angew. Chem. Int. Ed.（《德國應用化學》）以VIP（Very Important Paper）和封面論文形式，在線發表了北京大學工學院應用物理與技術研究中心王前教授課題組與其合作者關于氣相多電荷陰離子團簇研究的新進展：“Colossal Stability of Gas Phase Tri-anions: The Concept of Super-pnictogens”，報道了他們通過模擬計算設計出一類迄今為止最穩定的三價陰離子團簇。

【圖文導讀】

圖1 三價陰離子團簇結構示意圖

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圖2 Al [BeB₁₁（CN）₁₂]的最優結合形狀

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a）優化的幾何形狀

b）Al [BeB₁₁（CN）₁₂]的NBO電荷分布

c）Al [BeB₁₁（CN）₁₂]的模擬拉曼和IR光譜

【研究內容】

因儲量豐富和成本低廉，鋁(Al)離子電池是繼鋰(Li)、鎂(Mg)離子電池之后離子電池發展的新方向。而作為電池中關鍵材料之一的電解質，其效率決定離子在正負極之間的輸運速度。傳統電解質材料的研究主要針對Li離子的傳輸而展開。和正一價Li離子相比，Al離子對外顯正三價，如果在Al離子電池中直接使用傳統的含負一價陰離子的電解質，則需多個電解質分子才能攜帶一個Al離子，將影響Al離子的輸運效率。因此，人們希望找到一類穩定的含三價陰離子團簇的電解質來服務于Al離子電池。由于自然界不存在穩定的負三價氣態團簇，所以尋找穩定的三價陰離子（團簇）便成為研究Al離子電池電解質材料的關鍵問題之一。

王前課題組及其合作者通過深入地計算模擬研究，結合團簇科學中的Wade-Mingos規則和八電子規則，設計出了一類鈹(Be)元素摻雜的正二十面體硼(B)籠子結構；通過對BeB₁₁施以不同種官能團(CN, BO, SCN)的配位修飾，首次發現了一類以BeB₁₁(CN)₁₂、BeB₁₁(SCN)₁₂和BeB₁₁(BO)₁₂為代表的穩定的氣態三價陰離子團簇。通過進一步研究這類團簇與Al元素的最優結合，課題組從理論上證實了將這類團簇用于鋁離子電池電解液的優越性。此外，課題組還發現這類團簇對惰性原子氬(Ar)和氪(Kr)表現出超氧化性。這些發現將有力推動團簇科學的發展和新型電池材料的研發。

該論文的第一作者是王前課題組的博士研究生趙天山，論文合作者包括美國弗吉尼亞聯邦大學物理系周健博士和Puru Jena教授；王前教授和Jena教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、科技部國際科技合作重點專項的資助。

原文鏈接：http://pkunews.pku.edu.cn/xxfz/2017-09/20/content_299267.htm

文獻鏈接：Colossal Stability of Gas-Phase Trianions: Super-Pnictogens?(Angew. Chem. Int. Ed.,2017,DIO: 10.1002/anie.201706764)

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