中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授楊上峰課題組合成了兩種新型的基于過渡金屬釩的內(nèi)嵌金屬富勒烯。結(jié)合這兩種分子結(jié)構(gòu)上的關(guān)聯(lián)性，他們提出一種全新的內(nèi)嵌金屬富勒烯形成機(jī)制——自驅(qū)動單原子碳注入機(jī)制。研究成果近日發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

內(nèi)嵌金屬富勒烯因其結(jié)構(gòu)的多樣性在近20年間得到了飛速發(fā)展。目前報道的3種內(nèi)嵌金屬富勒烯形成機(jī)制都側(cè)重于外部碳籠骨架的轉(zhuǎn)變，內(nèi)嵌金屬團(tuán)簇之間的轉(zhuǎn)變機(jī)制則從未被報道過。對內(nèi)嵌金屬富勒烯中內(nèi)嵌金屬團(tuán)簇形成機(jī)理的深入研究，是富勒烯領(lǐng)域極其重要且富有挑戰(zhàn)性的工作。

在前期工作的基礎(chǔ)上，楊上峰團(tuán)隊合成并分離出兩種新型的基于過渡金屬釩的內(nèi)嵌金屬富勒烯。他們與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李群祥教授課題組、廈門大學(xué)謝素原院士團(tuán)隊合作，利用單晶X射線衍射技術(shù)精確表征了它們的分子結(jié)構(gòu)，并對其電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)這兩種內(nèi)嵌金屬富勒烯的分子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)存在極大的相似性。

楊上峰課題組提出，它們之間存在一種全新的內(nèi)嵌金屬富勒烯形成機(jī)制——自驅(qū)動單原子碳注入機(jī)制。該機(jī)制可以分為兩個過程，即獨(dú)碳團(tuán)簇金屬富勒烯對單原子碳的吸附、單原子碳注入到碳籠形成雙碳團(tuán)簇金屬富勒烯。所內(nèi)嵌的過渡金屬釩上存在的單電子對于促進(jìn)單原子碳吸附到碳籠上起著至關(guān)重要的作用。

不同于之前通過高壓法或離子注入法實現(xiàn)將非金屬原子（如氮）嵌入到中性富勒烯碳籠的報道，通過單原子碳注入機(jī)制可以實現(xiàn)將非金屬原子原位嵌入到帶負(fù)電的碳籠中。由于內(nèi)嵌釩原子的存在，該過程可以認(rèn)為是自驅(qū)動的，相比于以往的合成方法大大降低了反應(yīng)能耗。

研究結(jié)果對于深入理解內(nèi)嵌金屬富勒烯的形成機(jī)理以及合成新結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌金屬富勒烯具有重要意義。

相關(guān)論文信息： https://doi.org/10.1073/pnas.2202563119

（見習(xí)記者王敏）