记者从中国科学技术大学获悉,该校杨上峰教授课题组合成了两种新型的基于过渡金属钒的内嵌金属富勒烯,结合这两种分子结构上的关联性,提出一种全新的内嵌金属富勒烯形成机制——自驱动单原子碳注入机制,在内嵌金属富勒烯领域取得重要进展。研究成果日前发表在国际著名期刊《美国国家科学院院刊》上。

内嵌金属富勒烯因其结构的多样性在近20年间得到了飞速的发展,迄今为止已经有超过50种金属团簇被报道嵌入到富勒烯碳笼中,然而它们的形成机理却是长期困扰科学家的一个难题。对内嵌金属富勒烯中内嵌金属团簇的形成机理的深入研究是富勒烯领域极其重要且富有挑战性的工作。

在前期工作的基础上,研究人员合成并分离出两种新型的基于过渡金属钒的内嵌金属富勒烯,利用单晶X射线衍射技术精确表征了它们的分子结构,结合DFT理论计算对其电子结构进行了系统研究,发现这两种内嵌金属富勒烯的分子结构和电子结构存在极大的相似性。

在此基础上,杨上峰教授课题组提出,它们之间存在一种全新的内嵌金属富勒烯形成机制——自驱动单原子碳注入机制。该机制可以分为两个过程,包括:独碳团簇金属富勒烯对单原子碳的吸附;单原子碳注入碳笼形成双碳团簇金属富勒烯。所内嵌的过渡金属钒上存在的单电子对于促进单原子碳吸附到碳笼上起着至关重要的作用。不同于之前通过高压法或离子注入法实现将非金属原子嵌入到中性富勒烯碳笼的报道,通过单原子碳注入机制可以实现将非金属原子原位嵌入到带负电的碳笼中,而且由于内嵌钒原子的存在,该过程可以认为是自驱动的,相比于以往的合成方法大大降低了反应能耗。

这一研究成果对于深入理解内嵌金属富勒烯的形成机理以及合成新结构内嵌金属富勒烯具有重要意义。

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