Gas-phase preparation and the stability of superatomic Nb11O15−

文献情報

出版日 2021-07-01
DOI 10.1039/D1CP02128A
インパクトファクター 3.676
著者

Xin Lei, Hanyu Zhang


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要旨

We report a study of the reactions of pure metal clusters Nbn− with dioxygen in the gas phase. It is found that the presence of low-concentration dioxygen reactants results in oxygen-addition products, whereas sufficient high-concentration dioxygen enables oxygen-etching reactions giving rise to molecular niobium oxides. Interestingly, in the presence of a suitable gas flow rate of an intermediate dioxygen concentration, a highly selective product Nb11O15− shows up in the mass spectra. Utilizing density functional theory (DFT) calculations, we have discussed the reactivities of Nbn− (3 ≤ n ≤ 14) clusters with oxygen, and unveiled the reasonable stability of Nb11O15− pertaining to its unique geometric structure with a D5h Nb@Nb10 core fully protected by 15 bridge-oxygen atoms. The oxygen-passivated Nb@Nb10O15− cluster exhibits a large HOMO–LUMO gap (1.46 eV) and effective multicenter bonds with remarkable superatom orbitals for all the 26 valence electrons of the Nb@Nb10 core corresponding to well-staggered energy levels. We illustrate the superatomic features in the Nb@Nb10 metallic core for which the adaptive natural density partitioning (AdNDP) analysis unveils thirteen 11c–2e bonds. Among them, one of the 11c–2e bonds accounts for the superatomic S orbital, three bonds correspond to superatomic P orbitals, another five display vivid D orbital characteristics, and the remaining four 11c–2e bonds are assigned to F orbital features. In addition, the net atomic charge of the center Nb atom is as high as −0.804 |e| rendering core–shell electrostatic interactions and the shielding effect of the Nb10O15 shell.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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