金属碳笼(Met-Cars)是继C₆₀之后的又一“明星团簇”，高表面体积比的笼状金属碳化物表现出优异的储氢性能。同时，铁族金属碳化物兼具高强度，高熔点，高催化活性以及成本低且磁性可调控的特点，在电子学和材料学中具有重要应用价值。 

　　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在自主研制的团簇科学仪器装置上，围绕金属团簇的高效制备及其气相反应研究，发现了一系列具有独特稳定性的功能团簇新物种。前期工作中，该课题组系统研究了铁族金属团簇与多种气体分子的反应，发现纯金属钴团簇阴离子在与C₂H₂反应时生成了具有特殊稳定性的Co₁₂C₁₂^-；全局结构搜索结合光电子能谱实验揭示了Co₁₂C₁₂^- 具有高对称性C₁/C₂单元交替的空心笼结构。研究人员将这类金属碳化物团簇M₁₂C₁₂^-（M=Co, Ni）命名为 “金属碳球烯”（Metallo-Carbospherenes），阐述了其笼状芳香性与稳定性机制，揭示了该亚纳米笼状团簇具有突出的储氢能力（Sci. Bull. 2022, 67, 2280–2284）。 

　　近期，该课题组和合作者在纯铁团簇反应研究中发现，Fe_n^-（n=5-32）团簇与C₂H₂反应也可以生成显著惰性的Fe₁₂C₁₂^-。然而，与前述Co₁₂C₁₂^-和Ni₁₂C₁₂^-不同的是，该Fe₁₂C₁₂^-团簇具有高自旋电子构型和类似于铅垂的几何结构，6个C₂单元的掺入使得Fe₁₂C₁₂^-既保持了强铁磁性同时具有异常突出的稳定性。他们进一步通过团簇软沉积实验和超导量子干涉仪（SQUID）磁性测量测得Fe₁₂C₁₂^-团簇沉积样品在不同温度下具有一定的磁饱和吸收强度，揭示了其特殊的磁学特性。这种同时具有高稳定性和强铁磁性的金属碳化物团簇在量子计算、自旋电子学和信息存储微器件等方面具有重要的应用前景。相关工作发表于Journal of the American Chemical Society期刊（论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c09690），论文第一作者是博士后耿丽君，通讯作者是化学所骆智训研究员、郑卫军研究员和弗吉尼亚联邦大学Shiv N. Khanna教授。 

图1（a/d）基于自主研制仪器（DUV-IR-TOFMS-VMI）制备的钴/铁阴离子团簇及其与乙炔反应前后的质谱。（b）Co₁₂C₁₂^-团簇的几何结构与磁矩；在z轴方向施加外部磁场时的磁感应电流（GIMIC）。（c）Co₁₂C₁₂^-与H₂反应前后的质谱，以及吸附36个H₂的中性Co₁₂C₁₂团簇结构和吸附H₂的总Bader电荷Q(36H₂)。（e）Fe₁₂C₁₂^-团簇的几何结构、自旋布居和磁矩。（f）Fe₁₂C₁₂^-的磁各向异性能。 

分子动态与稳态结构实验室

2023年12月11日