二维平面超配位材料的理论研究

The development of 2D planar hypercoordinate materials is of great significance for both basic research and practical application. However, it is very challenging to realize planar hypercoordinate in 2D materials. The difficulty to satisfy both "geometric" and "electronic" matching and has good stability simultaneously is the key problem plaguing the development of this hot and frontier field. In this project, by using global crystal structure search method combined with density functional theory, phonon calculations and molecular dynamics simulation, as well as the chemical bond analysis tool, we will comprehensively study the structure-properties relationship between the atomic composition, size, patterning, number of valence electrons, coordination mode, coordination number, the nature of bonding and the stability of 2D planar hypercoordinate materials. Furthermore, we are going to build up universal model and underlying stabilization mechanism for the design of 2D planar hypercoordinate materials and finally hope to guide experimental synthesis.

作为一个前沿热门领域，二维平面超配位材料的发展对于基础科学研究和实际应用都具有重要意义。但是，在二维材料中实现平面超配位具有很大的挑战性，很难同时满足“几何”和“电子”匹配并具有很好稳定性是困扰该领域发展的关键问题。针对上述问题，本项目拟采用全局晶体结构搜索方法、密度泛函理论、声子谱计算、分子动力学模拟以及化学键分析工具，从“几何”匹配和“电子”匹配两个方面入手，系统深入地探索原子组成、尺寸大小、面内排布、价电子数、配位模式、配位数、成键本质与二维平面超配位材料的稳定性之间的内在联系和变化规律，从中总结出普适性的构效关系模型和稳定化机制，用于二维平面超配位材料的设计，为实验制备新型二维平面超配位材料提供理论依据和指导。

二维平面超配位材料的发展对于基础科学研究和实际应用都具有重要意义。但是，在二维材料中实现平面超配位具有很大的挑战性，很难同时满足“几何”和“电子”匹配并具有很好稳定性是困扰该领域发展的关键。本项目综合运用全局结构搜索、第一性原理计算、分子动力学模拟等方法对一系列二维AlBx纳米结构体系进行深入研究，取得以下重要进展：（1）Al和B是特殊的搭档，两者之间有特殊的相互作用，是构筑二维平面超配位材料的理想载体；（2）在AlBx纳米体系中存在各种类型的超配位拓扑结构，配位数从四到九呈现丰富多彩的超配位构型，AlBx纳米结构可以是单个原子层厚度的，也可以是两层通过化学键堆叠在一起，还可以是三明治结构或者是多个原子层结构，有些结构在外界条件下可以相互转变；（3）Al和B之间的电子转移以及B的缺电子特性使得AlBx纳米结构倾向于形成超配位结构，Al-B和B-B之间很强的化学键稳定超配位纳米结构；（4）AlBx纳米结构绝大多数呈现金属性，极少数是半导体和超导体，在太阳能转换利用和纳米超导领域有潜在应用；（5）很多AlBx纳米结构呈现Dirac锥或节点环，是一大类Dirac材料。本项目系列工作为相关领域研究者提供了关于二维铝硼纳米体系全面系统的有价值的信息和认知，对于二维平面超配位材料的设计、构筑和制备具有重要的指导意义。.本项目执行期间在化学顶级期刊JACS上发表论文1篇，另外，还有多篇论文在投。参加国内外学术会议并做邀请报告12次，培养博士3名，硕士8名，1人获校优秀毕业生，2人获国家研究生奖学金，在站博士后1人获批国家自然科学青年基金，2人分别获得研究生创新基金项目A和B类，在读研究生7人。项目负责人获聘华中卓越学者，入选2021 Emerging Investigators in Crystal Growth & Design，被评为2021年度英国皇家化学会优秀审稿人。