锆基内嵌金属富勒烯自1992年在气相中被首次检测到，然而在其后的三十年间，其宏量合成始终未能实现。近日，苏州大学谌宁教授团队联合西班牙罗维拉-威尔吉利大学研究团队，实现了锆基内嵌金属富勒烯的合成与结构解析，拓展了金属富勒烯材料的研究领域。
研究团队创新性地采用碳化锆（ZrC）替代常规金属氧化物作为锆源，使用Krätschmer-Huffman直流电弧放电法，成功制备出三种锆基碳化物团簇富勒烯：Zr2C2@D3h(5)-C78、Zr2C2@Ih(7)-C80和Zr3C2@Ih(7)-C80。
图1. 使用不同合成方法所得富勒烯提取溶液的高效液相色谱（HPLC）图及其对应组分（22至24分钟保留时间段）的基质辅助激光解吸-飞行时间质谱（MALDI-TOF）。
单晶X射线衍射分析表明，Zr2C2团簇呈现出由 (C≡C)2-单元桥连的平面菱形构型，揭示了金属离子尺寸对团簇几何结构的关键影响；而Zr3C2团簇则展现出特殊的由 (C-C)6-单元桥连的三叶草状几何构型，其μ3-η2配位模式与传统有机锆配合物存在显著差异，印证了碳笼限域化学环境在稳定新型金属-碳成键模式中的重要作用。结合实验与理论研究进一步表明，这些锆基内嵌富勒烯的电子结构分别为 (Zr2C2)6+@(C2n)6-(2n = 78, 80) 和 (Zr3C2)6+@(Ih(7)-C80)6-。
图2.（a）Zr2C2@D3h(5)-C78·[NiIIOEP]和（b）Zr2C2@Ih(7)-C80·[NiIIOEP]的20%热椭球体的ORTEP图；（c）D3h(5)-C78碳笼和（d）Ih(7)-C80碳笼中Zr2C2团簇的几何构型和参数。
图3.（a）Zr3C2@Ih(7)-C80·[NiIIOEP]的20%热椭球体的ORTEP图；（b）Ih(7)-C80碳笼中Zr3C2团簇的几何结构参数；（c）Zr3C2@Ih(7)-C80的DFT优化构型及（d）内部团簇与相邻碳笼的相互作用示意图。
该工作不仅深化了对三类新型锆基碳化物团簇富勒烯结构的认知，更为电弧放电反应机理及内嵌富勒烯形成机制提供了新见解。此外，本研究还为新元素在富勒烯碳笼中的封装提供了重要指导，为设计和合成新型内嵌金属富勒烯奠定了坚实基础。
这一成果近期发表于Journal of the American Chemical Society 。文章的第一作者是苏州大学沈艺博士和罗维拉-威尔吉利大学Laura Abella博士；通讯作者是苏州大学谌宁教授、姚阳榕教授和罗维拉-威尔吉利大学Antonio Rodríguez-Fortea教授。
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Zirconium Carbide Clusters Stabilized within Carbon Cages
Yi Shen, Laura Abella, Yang-Rong Yao*, Qingyu Meng, Rongrong Luo, Bei Li, Zixin Wu, Josep M. Poblet, Antonio Rodríguez-Fortea*, Ning Chen*
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 39527-39536, DOI: 10.1021/jacs.5c12573
谌宁教授简介
谌宁，苏州大学材料与化学化工学部教授，2025年获得国家青年科学基金项目（A类）（原国家杰出青年科学基金项目）资助，2019年入选教育部“长江学者奖励计划”青年学者，2020年获得江苏省杰出青年基金资助。2007年取得中国科学院化学研究所物理化学博士学位。2007年至2009年在德国莱布尼茨固态与材料研究所从事博士后研究。2009年至2012年先后在美国克莱姆森大学、德州大学艾尔帕索分校化学系从事博士后研究。2012年迄今在苏州大学从事教学科研工作。
长期从事富勒烯纳米碳材料的研究工作，取得了一系列在富勒烯化学以及锕系镧系元素化学领域具有重要影响力的研究成果。迄今已以第一作者或通讯作者在Nat. Chem., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc.等国际著名学术期刊上发表研究论文70余篇。研究领域包括：基于锕系和镧系元素的内嵌富勒烯的结构与物理化学性质研究以及纳米碳材料在有机光电材料、生物医药领域的应用基础研究。
https://www.x-mol.com/university/faculty/390745
姚阳榕教授简介
姚阳榕，苏州大学材料与化学化工学部教授。2019年于厦门大学获得博士学位，师从谢素原院士。2019年至2021年在美国德州大学艾尔帕索分校从事博士后研究，2022年至2024年于中国科学技术大学开展科研工作。2024年起任职于苏州大学，从事教学与科研工作。长期致力于富勒烯功能材料的基础与应用研究，围绕金属内嵌富勒烯的可控制备、结构探索与性能调控等方向开展系统研究。以第一作者或通讯作者在 Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、CCS Chem.等国际高水平期刊发表论文50余篇，并为Elsevier与Wiley出版社专著撰写书稿章节各一章。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目等国家及省部级科研项目3项。
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