Unusual Inertness of a Ta8+ Cluster in Dinitrogen Reactions

化学 星团(航天器) 原子轨道 化学物理 单独一对 电子结构 过渡状态 原子物理学 电子 计算化学 分子 物理 催化作用 计算机科学 生物化学 有机化学 量子力学 程序设计语言
作者
Ran Cheng,Yifan Gao,Chaonan Cui,Zhixun Luo
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:: 454-459
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.4c03121
摘要

Clusters serve as the optimal model to elucidate the structure–property relationship of materials, bridging condensed matter and individual atoms. The pursuit of exceptionally stable clusters has garnered significant interest. The distinctive electronic configuration and symmetrical geometry generally provide a consistent rationale for their stability. However, this principle does not quite correspond to the behavior of all transition metal clusters. Utilizing our customized apparatus, we successfully produced pure tantalum clusters Tan+ (n = 1–16) and examined their reactions with dinitrogen under sufficient gas-collision conditions. Significantly, with the introduction of N2 gas reactants, the Ta8+ cluster became the predominant species. Comprehensive theoretical analyses indicate that the inertness of Ta8+ is due to not only its unique electronic configuration and superatomic feature but also its unfavorable N2 adsorption dynamics and N≡N activation kinetics on the cluster. We demonstrate the contributions of frontier orbitals, the natural population of charges, and their interactions with lone-pair electrons of N2, together with the rate coefficients derived from Rice–Ramsperger–Kassel–Marcus (RRKM) theory. This study provides comprehensive insights into the cluster stability and activity, which can be used as a reference for the development of gas separation materials that are resistant to N2.

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