纳米尺寸氧化钇团簇阴离子与正丁烷反应的研究

在单一原子量分辨水平上研究纳米尺寸过渡金属氧化物团簇(M_xO_y^q)与小分子的反应不仅能够获得氧化物纳米颗粒的反应性随原子组成和尺寸连续变化的演变规律, 而且对认识其结构特征以及表面活性氧物种(如O^-•自由基)的产生机制等具有重要意义. 本工作分别采用耦合快速流动反应管和耦合四极质量过滤器-线形离子阱的两套反射式飞行时间质谱研究了不同“氧缺陷指数”(Δ)的氧化钇团簇Y_xO_y^- (x≤50,y≤76; Δ≡2y–1–3x, Δ=0~5)和掺杂氟(F)原子团簇Y _xO_yF^- [x≤49,y≤74; Δ≡(2y+1)–1–3x, Δ=1]与 n-C₄H₁₀分子的反应. 实验观测到Δ=1系列团簇(Y₂O₃)_NO^- (N=1~25)、(Y₂O₃)_NYO₂F^- (N=1~24)及Δ=4系列团簇(Y₂O₃)_NYO₄^- (N=1, 3~24)具有氢抽取反应活性, N≥2时其它Δ系列团簇(Δ=0, 2, 3, 5)在相同实验条件下没有表现出明显的反应性. 密度泛函理论研究Δ=1或4系列小尺寸团簇(Y₂O₃)_NY_xO_yF_0,1^- (N≤4;x=0, 1)的结构揭示O^-•自由基是氢抽取反应的活性位点, 结合实验可推测Δ=1或4系列纳米尺寸团簇(Y₂O₃)_NY_xO_yF_0,1^- (x=0, 1)结构中也含有O^-•自由基. 这些结果表明Δ=0系列惰性纳米尺寸团簇(Y₂O₃)_NYO₂^-可以通过吸附一个O₂分子发生电子转移生成O^-•自由基(O^2-+O₂→O^-•+O₂^-•), 也可以通过掺入F原子的方式生成O^-•自由基(O^2-+F^•→O^-•+F^-).