科技日報記者 張蓋倫

稀土是重要戰(zhàn)略資源，其化學鍵性質(zhì)直接影響稀土化合物的特性、功能和技術(shù)應用。近日，我國科研團隊成功實現(xiàn)了長期以來被視作“科研禁區(qū)”的稀土三重鍵化合物的制備，打破了對稀土元素成鍵能力的傳統(tǒng)認知，為稀土化學鍵理論的發(fā)展提供了新的實驗依據(jù)和理論支撐。相關(guān)研究成果已于近日發(fā)表在《自然·化學》雜志上。

稀土元素包括鈧、釔和15種鑭系元素，電子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出極為復雜、特殊且多樣的特點。在稀土化合物中，化學鍵主要以基于靜電作用的離子鍵形式存在，由于4f軌道的收縮效應和5d軌道的較高能量，稀土元素形成共價鍵，特別是雙重鍵和三重鍵的能力十分有限。也正因為這一特性，長久以來，制備出含雙重鍵的鑭系稀土化合物已是極為罕見，制備其三重鍵化合物更是被認為“不可能”。

成功構(gòu)建穩(wěn)定的稀土三重鍵不僅可推動稀土元素價鍵理論的發(fā)展，還能為新型稀土催化劑的設計和先進功能材料的開發(fā)提供新路徑。近日，蘇州大學諶寧課題組與清華大學李雋課題組合作，創(chuàng)新性地利用富勒烯分子籠的空間限域和保護作用，采用改良電弧放電技術(shù)，成功制備出首個富勒烯內(nèi)嵌的稀土元素鈰與碳形成的三重鍵化合物，實現(xiàn)了鈰碳三重鍵的穩(wěn)定構(gòu)筑。

X射線單晶衍射分析顯示，該結(jié)構(gòu)中鈰碳鍵鍵長與理論預測的三重鍵鍵長高度吻合。通過可見—近紅外吸收光譜、電子順磁共振光譜的聯(lián)合表征和量子化學研究，團隊進一步確認了該化合物具有閉殼層的電子構(gòu)型。紅外光譜中觀察到的鈰碳鍵特征振動峰與理論模擬結(jié)果一致，為稀土三重鍵的存在提供了直接證據(jù)。

深入的相對論量子化學計算分析也表明，這一體系中形成了鈰碳三重鍵，自然共振理論計算同樣證實了三重鍵結(jié)構(gòu)的主導地位。研究表明，富勒烯分子籠通過電荷轉(zhuǎn)移、配位作用和空間保護的三重協(xié)同效應穩(wěn)定了該三重鍵結(jié)構(gòu)。

李雋告訴科技日報記者，和此前認知不同的是，計算結(jié)果表明，即使在極短的鈰碳三重鍵中，稀土元素高度定域的4f軌道也幾乎不參與成鍵。稀土元素的成鍵機制比元素周期表中其他元素更為靈活，研究人員可通過改變配位環(huán)境來影響4f和5d軌道的性質(zhì)，從而調(diào)控稀土化合物的性能。

“我們的工作突破了鑭系稀土元素無法形成三重化學鍵的傳統(tǒng)觀念。該研究不僅為稀土化學鍵的研究開拓了新方向，更對稀土化合物和新材料的制備具有重要意義?！崩铍h強調(diào)。