新颖多铌氧酸簇的合成、结构与性质研究

Polyoxoniobates have important potential applications in areas of photocatalysis, nuclear-waste treatment, and virology. However, due to the lack of soluable niobate oxoanion precursors and the relatively low activity of niobate species, the research on the syntheses and structures of novel polyoxoniobates remain largely undeveloped. Our research project will meet challenge to carry out innovative research on the polyoxoniobate chemistry. Detailed studies include: 1) To develop feasible synthetical strategies for constructing novel polyoxoniobates, high-nuclearity poly(polyoxoniobates), and heterometal/heterometal cluster-substituted polyoxoniobates; 2) To study the structures and properties of the obtained three series of polyoxoniobate materials and master their structure-function relationship, with special focuses on their potential applications in optical, electrical, magnetic, and catalytic fields; 3) To study the structural decoration and modification of obtained polyoxoniobates by the introduction of various heterometal (or heterometal cluster) and organic ligands with attempt to realize the improvement and adjustment of properties of materials. This project is significantly meaningful for the development of polyoxoniobate chemistry, as well as the discovery and applications of new-type polyoxometalate functional materials.

多铌氧酸簇在光催化、核废料处理及医药领域具有重要的潜在应用。然而，因为缺乏可溶性的铌盐前体和铌氧化物自身相对不活泼的化学反应性，所以新颖多铌氧酸簇的合成与结构研究尚处于待发展阶段。本项目拟对富有挑战性的多铌氧酸簇的合成和结构化学开展创新性研究，研究内容包括: 1)发展有效的多铌氧酸簇基材料的合成方法，构筑新颖的多铌氧酸簇聚物、多聚的高核多铌氧酸簇聚物和异金属（簇）取代多铌氧酸复合簇聚物；2）系统深入地研究获得的多铌氧酸簇基材料的结构和物理化学性质，重点研究材料在光、电、磁和催化方面的潜在应用，掌握材料的构效关系；3）研究多样的异金属（簇）离子及有机功能配体的引入对多铌氧酸簇基材料结构的修饰和调控，进而实现材料性能的调控和提升。本项目研究不仅将促进多铌氧酸簇化学的发展而且对新型多酸功能材料的发现和利用具有重要科学意义。

多金属氧酸簇主要指基于第五和第六副族的高价金属离子（V、Nb、Ta、Mo和W）与氧形成的团簇结构，具有丰富的氧化还原性和酸碱性，在催化、仿生、医药及材料科学领域具有广泛的潜在应用。多金属氧酸簇合成研究有近二百年的历史，其中多钒氧酸簇、多钼氧酸簇和多钨氧酸簇合成化学已取得了显著的研究进展，形成了较为系统的结构类型体系。相比之下，由于合成的挑战性，多铌氧酸簇的合成化学研究进展显著落后于上述三个研究体系，已知的类型非常有限。为此，本项目在过去的四年时间里聚焦富有挑战性的多铌氧酸簇的合成研究，取得了显著的研究进展，主要包括：（1）提出基于模块组装的同多铌氧酸簇合成策略，实现了具有不同核数、尺寸和形状的从低核同多铌氧酸簇到高核同多铌氧酸簇的合成组装，首次实现了一系列含有百核乃至数百核铌离子的巨型同多铌氧酸簇的合成；（2）提出螯合脂肪胺缓释金属离子的合成策略，实现了在同多铌氧酸簇的强碱性反应条件下引入3d过渡金属离子及4f稀土金属离子，实现了从低核杂多铌氧酸簇到高核杂多铌氧酸簇的合成组装；（3）探索发现基于多铌氧酸簇模块、过渡金属离子、螯合有机胺及唑类配体的协同组装反应，发展出具有普适性的可构建无机-有机杂化多铌氧酸簇的合成策略，创新性实现了多铌氧酸簇-金属有机配位笼、多铌氧酸簇-金属有机配位环、多铌氧酸簇-金属有机配位杯等新型无机-有机杂化多铌氧酸簇分子的合成；（4）系统地探索了上述三大类新型多铌氧酸簇在催化、导电、吸附、磁性、光催化产氢及二氧化碳光还原等方面的潜在性能。相关研究显著拓展了人们对多铌酸簇的组装模式和结构类型的认知，引领了多铌氧酸簇合成化学的研究进展，为新型多金属氧酸簇基功能材料的发现和应用打下基础。