新疆理化所在拓展硼酸鹽結構化學取得新進展

  硼酸鹽因具有豐富的結構類型,穩定的物化性能,在新型光電功能晶體材料、核廢料分離和隔離、商業玻璃、非晶態氧化物催化劑、锂/鎂離子電池等領域具有重要的應用。90年來,研究人員相繼發現近4000種硼酸鹽化合物,而其結構化學作爲調控性能的關鍵,決定著硼酸鹽物理、化學性能的極限,這也使得硼酸鹽結構化學和構效關系研究一直是該領域的熱點。理論上,硼酸鹽結構中B原子可以與O親核體通過sp、sp2和sp3雜化作用,形成直線型BO2、三角形BO3和四面體BO4基本基團但是,縱觀近4000種硼酸鹽化合物,關于直線型BO2基團鲜有报道,目前仅在极少数的磷灰石矿物中发现该类基團,是最为罕见的硼酸盐的基本构筑单元,这也使得对该类基團的研究严重滞后。近日,中國科學院新疆理化技术研究所中科院特殊环境功能材料与器件重点实验室研究团队与美国西北大学研究团队联合发表在《自然·通訊》(Nature Communications)的研究成果成功打破了該格局。  

  中國科學院新疆理化技术研究所中科院特殊環境功能材料與器件重點實驗室潘世烈研究團隊自成立至今一直堅持以研究硼酸鹽晶體結構多樣性,並進一步設計合成硼酸鹽光學晶體爲主要任務和目標。近日,該團隊成功獲得一例硼酸鹽新化合物K5Ba2(B10O17)2(BO2),該化合物結構中具有罕見的直線型BO2基團,亦是目前首例含有全部B-O键合构型的硼酸盐化合物。该团队通過固體核磁共振實驗結合理論計算明確地鑒定了其結構中存在的BO2基團,为今后该类基團的鉴别提供了最原始的参考。通過第一性原理阐明,相较于传统BO3和BO4基團,BO2基團具有更高的光学各向异性,基于此设计的仅含有BO2基團K(BO2)具有极大的双折射率(0.18@1064 nm),将深紫外双折射晶体的双折射率值推向了新高度,为设计合成高性能双折射晶体提供了新基因。K5Ba2(B10O17)2(BO2)的發現不僅拓展了硼酸鹽的結構化學,而其中罕見的BO2基團的独特微观性能和光谱特征将激发更广泛的研究,并为未来探索紫外/深紫外光学晶体材料开辟一条新路径。  

  近日,相關研究成果發表在《自然·通訊》(Nature Communications, 2021, 12, 2597),新疆理化技术研究所为第一完成单位,新疆理化技术研究所潘世烈研究员和美国西北大学Kenneth R. Poeppelmeier教授爲共同通訊作者,新型光電功能材料實驗室黃春梅、米日丁·穆太力普博士和張方方研究員爲共同第一作者,該論文合作者還包括蘭卡斯特大學John M. Griffin教授、美國西北大學Kent J. Griffith博士、新疆理化技術研究所楊志華研究員和胡聰博士。同時該研究工作得到國家基金委,科技部,中科院等項目資助。  

  論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-22835-4