中美共同发现首个硼“足球烯” 用于开发新纳米材料及储氢

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中美共同发现首个硼“足球烯” 用于开发新纳米材料及储氢

来源：观察者网
2014-07-15 10:44:55

“硼化学和类富勒烯研究取得重大突破！”就在如火如荼的巴西世界杯落幕之际，13日上午，山西大学分子科学研究所翟华金教授兴奋地向记者介绍说，山西大学、清华大学、美国布朗大学及复旦大学化学家密切合作，首次发现了全硼富勒烯B40团簇(All-Boron Fullerene)，并将其命名为硼球烯(Borospherene)。该研究成果于13日在国际权威学术期刊《自然·化学》在线发表。

科学家成功打造出世界上第一颗全部由硼原子构成的“巴基球”(B40)

据《光明日报》消息，翟华金教授介绍，B40的发现是硼球烯实验和理论研究的开端，是一个与碳富勒烯平行、具有广阔应用前景的科学研究新领域。研究表明，硼球烯和低维硼纳米结构与相应碳富勒烯和低维碳纳米材料在性能上具有很强的互补性，两者结合可能对解决人类面临的能源和环境危机提供新的科学思路和技术。

1985年，以笼状C60为代表的碳富勒烯家族的发现成为世界科学史上的重要里程碑。该成果1996年获诺贝尔化学奖，为之后的单壁碳纳米管及单原子层石墨烯的发现奠定了基础。据观察者网编辑查询，富勒烯因外形很像足球，又有足球烯之称，或被音译为巴基球。

翟华金说，B40是继C60之后第二个从实验和理论上完全确认的无机非金属笼状团簇，但由于硼的典型缺电子性，B40具有与传统碳富勒烯显著不同的结构和成键特征（即最终并未被塑造成标准的足球形状——观察者网注）。它可以进一步作为分子器件，进行各种金属掺杂、化学修饰和配体保护，形成具有新颖结构的一维、二维和三维纳米材料，在储氢储锂、半导体、超导、绿色催化等领域具有重要应用前景。

据悉，自第一个巴基球被发现之后，科学家曾创建出更多具有令人印象深刻的品质的碳结构，例如碳纳米管和单个原子厚度的石墨烯。从那时开始，材料科学家也在探索由其他元素构成的与巴基球类似的结构。

60个碳原子组合的“巴基球”



现代足球与C60有一样的结构

2007年，美国莱斯大学材料科学家Boris Yakobson曾从理论上提出，由80个硼原子构成的“笼子”应该很稳定。而在这之后1个星期发表的另一项研究则预测了一个由36个硼原子构成的稳定结构。

2013年3月以来，山西大学分子科学研究所翟华金教授、李思殿教授与清华大学李隽教授、美国布朗大学Lai-Sheng Wang教授及复旦大学刘智攀教授课题组合作，结合特征实验光电子能谱、全局结构搜索和严格量子化学理论计算，经过一年多的艰苦努力和协同创新，首次在气相中观察到由双链交织而成、具有完美D2d对称性的笼状B40全硼富勒烯团簇。

该空心笼状分子由顶端和底端两个相互交错的B6六元环及腰上两两相对的四个B7七元环相互融合而成，沿二重主轴方向略有拉长。

莱斯大学的Yakobson对此评价道：“我们曾预测了由80个硼原子构成的富勒烯的可能性，而现在，在7年之后，我们看到了非凡的实验证据。”他指出：“特别之处在于这一形态是任何理论计算都未曾预测到的。”

另据《中国科学报》报道，在研究中，布朗大学Lai-Sheng Wang教授的研究团队是在寻找由硼构成的石墨烯类似物时发现这一结构的。他们注意到由40个硼原子构成的原子团似乎具有异乎寻常的稳定性，但科学家并不知道这些原子团到底是以什么样的形状呈现的。进一步的计算和试验揭示它们形成了两种稳定结构：一种是一个几乎扁平的分子；另一种则是由镶嵌形状组成的球状中空结构，类似于碳基巴基球。

与碳基巴基球相比，除了拥有一个不太优雅的形状之外，硼球还形成了一种不同类型的内在键。这使得它们很难作为单独的“积木”加以使用——因为这些原子具有一种彼此相互作用的趋势，但这种反应可能使硼巴基球更利于在链条中进行连接。这种特性同时使得硼球有能力与氢结合在一起——研究人员表示，这让它们能够用来储存氢。

硼并非碳之后被巴基球化的第一种元素，但它可能是与碳巴基球最类似的产物。Yakobson表示，科学家已经制造出具有巴基球样结构的铀基和硅基化合物，多壁的氮化硼和二硫化钼结构以及较小的金、锡和铅单元素“笼子”。但只有硼似乎与大而中空的原始碳巴基球相匹配及对称。

巴基球一般是指一种由60个碳原子构成的分子。C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形。其相对分子质量约为720。

新闻背景：储氢材料

氢燃料电池是绿色新能源的重要发展方向，取代镍镉电池的镍氢电池凭借能量密度高、可快速充放电、循环寿命长以及无污染等优点在笔记本电脑、便携式摄像机、数码相机及电动自行车等领域得到了广泛应用。但氢原子的储存难问题一直制约着镍氢电池性能的提升。

从狭义上讲，储氢材料是一种能与氢反应生成金属氢化物的物质；但是它与一般金属氢化物有明显的差异。即储氢材料必须具备高度的反应可逆性，而且，此可逆循环的次数必须足够多，循环次数超过5000次。实际上，它必须是能够在适当的温度、压力下大量可逆的吸收和释放氢的材料。

对于理想的金属储氢材料应具备以下条件：1、在不太高的温度下，储氢量大，释放氢量也大；2、原料来源广，价格便宜，容易制备；3、经多次吸、放氢，其性能不会衰减；4、有较平坦和较宽的平衡压力平台区，即大部分氢均可在一持续压力范围内放出；5、易活化，反应动力学性能好。

过去用于镍氢电池负极储氢材料的主要是金属(或合金)储氢材料，但大多数储氢合金存在自重大，寿命短等问题。而随着新材料的发展，纳米尺寸储氢材料成为新的研究方向。

（观察者网综合光明网、中国科学报等消息）