超原子有机框架材料理论设计及性质调控研究
批准号:
22103001
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
徐畅
依托单位:
学科分类:
化学理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
徐畅
中文摘要
超原子团簇由于其独特的电子结构和丰富的理化性质而受到了广泛的关注,基于超原子单元进行材料组装,可以获得具有潜在应用价值的组装材料。然而,团聚现象是团簇组装面临的问题之一,且组装后的结构基元往往难以保持超原子的电子壳层。本项目提出了一种超原子组装材料设计的新思路,以超原子作为金属有机框架(MOF)的节点,以有机配体作为连接体,基于超原子网络(SAN)电子结构模型,设计超原子有机框架(SOF)材料,并采用第一性原理计算方法研究其稳定性规律及组装机制。基于SAN模型,SOF的节点能够保持超原子的电子壳层,且被配体连接和固定。以此为基础,本项目将进一步探讨超原子电子结构与SOF材料的性质关联及调控机理,进而对其光吸收性质和旋轨耦合效应进行调控,探索SOF在光催化、拓扑材料等领域的应用前景。
英文摘要
Superatom clusters attracted much interest due to their unique electronic characters and rich chemical and physical properties. Superatom-assembled materials with potential applications could be obtained by assembling superatom units. However, aggregation is still one of the problems in cluster-assembled materials, and their basic units can hardly keep the superatomic electronic shells. A novel kind of superatom-assembled material is proposed in this project. Superatoms are used as nodes in metal-organic frameworks (MOFs) to build the structures of superatom-organic frameworks (SOFs) via superatom network (SAN) model, and the mechanisms of their stability and assembly are further explored using first principle calculations. On the basis of SAN model, these nodes can keep superatomic electronic shells, which are linked and fixed by ligands. The relations between superatomic electronic shells and properties of SOFs and their regulation mechanisms will be further discussed in this project, in order to regulate their photo absorption and spin-orbital coupling effects, and explore their potential applications in photocatalysis and topological materials.
超原子团簇具有特殊的电子结构和丰富的理化性质,通过超原子组装有望获得具有优异性能的超原子基材料。然而,如何在组装结构中避免团簇的团聚,并在组装后保持超原子基元的电子结构特征,仍然是超原子组装面临的问题。本项目提出了超原子有机框架(superatom-organic framework,SOF)的新概念,SOF具有类似MOF的稳定多孔框架结构,且团簇节点能够保持超原子的电子壳层,表现出优异的性质。本项目以Al,B,Au等元素构建了超原子基元,以C,O,N等作为连结配体进行组装,通过第一性原理计算设计并筛选出一系列高稳定性的SOF结构,并总结了其结构稳定性规律。随后,对SOF的性质及调控规律进行了研究,并探讨了其在电极材料和催化领域的应用。本项目的重要研究结果包括:1.由于超原子轨道具有高度的离域性和柔性,得失电子更容易,是潜在的离子电池电极材料。本项目设计了由B4超原子组装的B8N2-SOF结构,研究揭示了该结构具有较高的载流子迁移率和高Na/K离子理论存储容量、以及较低的开路电压,其几何结构在吸附高浓度离子后变化很小,是理想的Na/K离子电池阳极材料。2.超原子具有与简单原子类似的电子结构和化学反应特性,表现出潜在的催化活性。本项目设计了B4C2,Al8O3-SOF两种超原子催化剂。B4C2由16电子的B4C2八面体超原子组装而成,是d区元素的超原子类似物,该结构可用于光解水催化,且可以通过施加应力或PH调控实现其催化活性在半反应和全解水之间的转化;Al8O3-SOF则由Al4超原子通过O配体连结组成,表现出NO催化还原活性,对Al4超原子进行掺杂可以调控该结构的催化活性,其中Ga掺杂的Al6Ga2O3结构在该系列中活性最高,与Pt(111)相当。本项目提出了一种新的超原子组装模型,为超原子基功能材料的设计提供了理论参考。
国内基金
海外基金