Hypercoordinated PN 4 with Nonclassical N–N Bonds: An sp 2+ Hybridized Framework Stabilized by d -Orbital Activation

作者
Yuan Yuan Liu,Chunguang Zhai,Zhen Yao,Bingbing Liu
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:16 (45): 11876-11883
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.5c02339
摘要

Nitrogen (N), despite being adjacent to carbon in the periodic table, struggles to form noninteger hybridizations due to its unique electronic structure and inherent thermodynamic stability. Investigating the specific bonding modes of nitrides not only enhances our understanding of classical bonding theory but also provides valuable guidance for the development of novel materials. Here, using particle swarm optimization methods, we predict a hypercoordinated phase, P3̅1c-PN4, comprising PN6 octahedra interconnected by N4 units, in which the strong ligand field of nitrogen atoms activates P 3d orbitals, stabilizing this six-coordinate framework. Remarkably, the N4 units exhibit nonclassical bonding with intermediate N-N bond lengths (1.35 Å) and sp2+ hybridization, balancing covalent rigidity with structural flexibility. Furthermore, P3̅1c-PN4 displays superhardness (45.26 GPa), high energy density (5.42 kJ/g), and pressure-induced blue-shifted absorption behavior. Comparative studies on MN4 compounds (M = P, As, Sb) reveal a central atomic-size-dependent attenuation of the nitrogen ligand field, underscoring the synergy of nitrogen ligand fields and d-orbital activation in hypercoordinated systems. This work establishes a blueprint for the design of tunable, multifunctional, and nonclassical nitrides through orbital engineering under high pressure.
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