研究揭示中性双核金属氢氧化物水合团簇构型转换机制
文章导读
中性双锶氢氧化物团簇因不带电而难以探测，传统手段常漏掉关键的结构演化。中国科学院大连化学物理所借助自研的中性团簇红外光谱站，发现仅加入第三个水分子即可使Sr₂(μ₂‑OH)₂(η₁‑OH)突变为更稳定的Sr₂(μ₂‑OH)₃构型，形成显著的形变能和氢键重排，揭示了水合作用驱动金属氧骨架重构的机制。该发现为催化剂固液界面活性位点的调控提供新思路。究竟还能通过何种水合路径进一步优化金属氧骨架的功能性？
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多核金属氢氧化物的水合作用在催化转化、金属腐蚀、功能材料等过程广泛存在。在逐级水合过程中，水的氢键网络可诱导核心骨架和微观配位环境发生重构，驱动体系产生一定的构型转变。因此，研究多核金属氢氧化物水合团簇的结构演化机制，对理解真实催化剂固液界面的活性位点结构特征具有重要意义。然而，与离子型团簇相比，中性团簇不携带电荷，难于探测和质量选择，实验研究更具挑战性。
近日，中国科学院大连化学物理研究所等科研团队，依托自主研制的中性团簇红外光谱实验站，研究了中性双锶氢氧化物水合团簇的结构演化规律，发现仅需三个水分子即可引发Sr2(μ2-OH)2(η1-OH)向Sr2(μ2-OH)3的构型转换，为理解催化剂的金属氧骨架水合作用机制提供了新思路。
研究以中性双锶氢氧化物Sr2(OH)3作为模型体系，利用中性团簇红外光谱实验站，结合桌面极紫外光源，测得了中性双锶氢氧化物水合团簇Sr2(OH)3(H2O)n (n=1-5)的红外光谱。将实验光谱与量子化学计算和从头算分子动力学模拟相结合，团队发现水合数n≤2的团簇采取Sr2(μ2-OH)2(η1-OH)(H2O)n构型，水合数n≥3的团簇则演变为Sr2(μ2-OH)3(H2O)n构型，这表明中性双锶氢氧化物水合团簇在n=3时发生了构型的突变。
研究进一步发现，第三个水分子会诱导Sr2(μ2-OH)2(η1-OH)核心骨架发生明显形变，产生了较高的形变能，进而驱动了这一结构转变。Sr2(μ2-OH)3(H2O)n构型通过氢键网络的重排，有效降低了体系的泡利排斥能并维持了结构稳定性，成为全局最稳定结构。
该研究体系可作为描述金属氧骨架和水合作用的模型，为系统研究水合作用驱动的晶格重排、活性位点调控等科学问题提供了新策略。
相关研究成果发表在《中国化学会会刊》（CCS Chemistry）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院等的支持。
研究揭示中性双核金属氢氧化物水合团簇的构型转换机制
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