近日，上海科技大学物质科学与技术学院冯继成课题组提出了一个直观的电子态识别思路：金基团簇的开闭壳层，可以通过其更倾向于结合氧原子还是氧分子来判断。相关研究成果以“Oxygen as a Classifier of Superatomic Electronic States in Au-Based Clusters” 为题发表于《美国化学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）。
金属团簇由有限个金属原子组成，团簇中的电子可以像原子中的电子一样形成壳层结构，因此常被称为“超原子”。壳层是否填满，会显著影响团簇的稳定性和反应性。但在实验上，如何快速、直观地区分开壳层和闭壳层电子态，一直是团簇科学中的关键问题。
研究利用spark plasma方法产生金基团簇，并在含氧环境中同时提供原子氧和分子氧。实验发现，不同团簇对氧的“选择”并不随机：具有闭壳层特征的团簇更倾向于吸附分子氧，并基本保持原有电子结构；而具有开壳层特征的团簇更容易与单个氧原子发生作用，并伴随明显的电子和几何结构重组（配图左）。由此，氧成为识别团簇电子态的“化学分类器”。
配图：左-等离子体环境中共存的原子氧和分子氧可用于识别团簇的开/闭壳层；右-Au7+团簇不同异构体及其氧化物的电子结构
研究以Au7+团簇为代表，比较了两种不同构型的电子结构（配图右）。其中一种构型具有更稳定的闭壳层特征，分子氧可以温和吸附在其表面；另一种构型则表现出开壳层特征，更容易与原子氧结合，并发生电子轨道和几何结构的重新调整。该结果说明，氧的结合方式能够反映团簇内部的电子壳层状态。
进一步研究表明，这一氧响应分类方法不仅适用于纯金团簇，也可推广到Au-Ag、Au-Cu等合金团簇体系。相关结果说明，氧摄取行为能够作为一种实验可观察的信号，帮助识别复杂团簇体系中的电子态差异。本工作建立了以氧摄取行为识别团簇电子态的实验框架，将质谱反应性、离子迁移率结构表征和理论计算联系起来，为金基超原子团簇的电子态判别、异构体解析和氧化反应活性筛选提供了新的思路，也为团簇催化和团簇组装材料设计提供了潜在参考。
上海科技大学物质科学与技术学院2023级博士生韩耀晨为第一作者，冯继成教授为通讯作者，上海科技大学为本论文第一完成单位。
论文标题：Oxygen as a Classifier of Superatomic Electronic States in Au-Based Clusters
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