过渡金属粒子广泛应用于催化、新材料等领域，金属团簇反应研究能够在原子精度上揭示此类材料的构效关系与化学性质。然而，无配体保护的原子精确的纯金属团簇的制备相对困难，巡游电子计数及其构型相对复杂，往往单个原子甚至单个电子的差异就导致一种团簇比另一种团簇更具惰性或活性。因此，探索金属团簇的稳定化本质具有重要的研究意义。 

　　在国家自然科学基金委、财政部、中国科学院的支持下，化学所分子动态与稳态结构实验室骆智训研究员课题组利用自主设计研制的多套团簇科学仪器装置，在纯金属团簇的反应性和稳定性研究方面取得了系列进展（《Metal Clusters and Their Reactivity》 Springer: 2020）。他们在过渡金属团簇及其反应性的研究中，发现了几个具有独特反应惰性和结构稳定性的团簇新物种，包括开壳层超原子Cu₁₈^-（J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 5807）、双幻数团簇Ag₁₇^-（CCS Chemistry 2021, 3, 219）、四面体Pt₁₀^-（团簇（J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 5115）、中性钒团簇V₁₀（J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 1593）和拉长椭球Ta₁₀^-（J. Phys. Chem. Lett. 2022, 9711），并揭示了过渡金属的巡游电子主导构造超原子态并形成离域的超原子轨道的化学本质。 

　　最近，研究团队在进一步探究钒族金属团簇反应性中发现：铌阳离子团簇Nb₁₂⁺在与CO等气体反应时表现出奇异的化学惰性(图1a)。基于第一性原理计算查证了该团簇具有类似于富勒烯的全金属空心笼状结构，将其命名为“铌球烯”（Niobespherene）并充分阐述了其超原子稳定性，揭示了d轨道杂化形成超原子S和P轨道的新观点。该“铌球烯”团簇新物种由于其对CO反应的特殊惰性为有关含铌基催化剂和CO耐受新材料的设计开发提供了新思路。相关工作发表于《国家科学评论》（National Science Review）期刊（论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwac197），共同第一作者是博士研究生黄奔奔和博士后张含宇，通讯作者是骆智训研究员。 

图1（左）基于自主研制仪器(MagS-TQMS)制备的阳离子铌团簇与CO反应前后的典型质谱。插图显示了Nb_n⁺团簇与CO反应物反应后形成Nb_n(CO)_m⁺（m=0-8）的质量丰度。（右）自然原子轨道法显示超原子1S和1Pz轨道主要由铌原子s轨道组成，而Nb₁₂⁺中的超原子轨道2S和2Pz分别则主要由d轨道贡献。同时显示的包括Nb₁₂⁺团簇笼状芳香性的NICS扫描，以及在XY平面上的局部轨道定位投影（LOL）和感应环形电流。 

分子动态与稳态结构实验室

2022年10月27日