北京大学工学院王前课题组：在多电荷阴离子团簇研究中取得新进展

【成果简介】

近日，国际知名学术期刊Angew. Chem. Int. Ed.（《德国应用化学》）以VIP（Very Important Paper）和封面论文形式，在线发表了北京大学工学院应用物理与技术研究中心王前教授课题组与其合作者关于气相多电荷阴离子团簇研究的新进展：“Colossal Stability of Gas Phase Tri-anions: The Concept of Super-pnictogens”，报道了他们通过模拟计算设计出一类迄今为止最稳定的三价阴离子团簇。

【图文导读】

图1 三价阴离子团簇结构示意图

图2 Al [BeB₁₁（CN）₁₂]的最优结合形状

a）优化的几何形状

b）Al [BeB₁₁（CN）₁₂]的NBO电荷分布

c）Al [BeB₁₁（CN）₁₂]的模拟拉曼和IR光谱

【研究内容】

因储量丰富和成本低廉，铝(Al)离子电池是继锂(Li)、镁(Mg)离子电池之后离子电池发展的新方向。而作为电池中关键材料之一的电解质，其效率决定离子在正负极之间的输运速度。传统电解质材料的研究主要针对Li离子的传输而展开。和正一价Li离子相比，Al离子对外显正三价，如果在Al离子电池中直接使用传统的含负一价阴离子的电解质，则需多个电解质分子才能携带一个Al离子，将影响Al离子的输运效率。因此，人们希望找到一类稳定的含三价阴离子团簇的电解质来服务于Al离子电池。由于自然界不存在稳定的负三价气态团簇，所以寻找稳定的三价阴离子（团簇）便成为研究Al离子电池电解质材料的关键问题之一。

王前课题组及其合作者通过深入地计算模拟研究，结合团簇科学中的Wade-Mingos规则和八电子规则，设计出了一类铍(Be)元素掺杂的正二十面体硼(B)笼子结构；通过对BeB₁₁施以不同种官能团(CN, BO, SCN)的配位修饰，首次发现了一类以BeB₁₁(CN)₁₂、BeB₁₁(SCN)₁₂和BeB₁₁(BO)₁₂为代表的稳定的气态三价阴离子团簇。通过进一步研究这类团簇与Al元素的最优结合，课题组从理论上证实了将这类团簇用于铝离子电池电解液的优越性。此外，课题组还发现这类团簇对惰性原子氩(Ar)和氪(Kr)表现出超氧化性。这些发现将有力推动团簇科学的发展和新型电池材料的研发。

该论文的第一作者是王前课题组的博士研究生赵天山，论文合作者包括美国弗吉尼亚联邦大学物理系周健博士和Puru Jena教授；王前教授和Jena教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、科技部国际科技合作重点专项的资助。

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

文献链接：Colossal Stability of Gas-Phase Trianions: Super-Pnictogens (Angew. Chem. Int. Ed.,2017,DIO: 10.1002/anie.201706764)

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