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近日，大連化物所分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)簇光譜與動(dòng)力學(xué)研究組（2506組）江凌研究員、李剛副研究員實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合該室樊紅軍研究員和鄭州大學(xué)鄭修成教授理論團(tuán)隊(duì)，采用自主研制的基于大連相干光源的中性團(tuán)簇紅外光譜實(shí)驗(yàn)裝置，利用中性金屬氫氧化物實(shí)現(xiàn)了高反應(yīng)活性氫自由基的捕捉。
作為質(zhì)量最輕的原子，氫自由基是催化、大氣新粒子形成、星際氫氣產(chǎn)生等諸多過(guò)程的關(guān)鍵中間體。氫自由基由于具有反應(yīng)活性高、存活壽命短等特征，對(duì)其捕捉具有挑戰(zhàn)。目前，離子型氫自由基加合物由于帶有電荷，易于探測(cè)和質(zhì)量選擇，研究最為廣泛。然而，中性氫自由基加合物由于缺乏電荷，難于探測(cè)和質(zhì)量選擇等，對(duì)其實(shí)驗(yàn)研究非常困難。因此，實(shí)現(xiàn)中性氫自由基加合物的制備與表征是科研人員長(zhǎng)期以來(lái)的夢(mèng)想。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，江凌和李剛團(tuán)隊(duì)發(fā)展了高通量的激光濺射團(tuán)簇源，利用基于大連相干光源的紅外—極紫外（IR-VUV）雙共振紅外光譜實(shí)驗(yàn)方法（The Journal of Physical Chemistry Letters，2020），研究了第三族金屬原子與水的反應(yīng)過(guò)程。團(tuán)隊(duì)采用激光濺射和超聲分子束冷卻技術(shù)，制備了中性MO3H4（M=Sc,Y,La）復(fù)合物；將紅外激光振動(dòng)激發(fā)與193 nm極紫外激光電離相結(jié)合，測(cè)定了它們的紅外光譜。樊紅軍和鄭修成等采用高精度的量子化學(xué)理論方法，計(jì)算了這些產(chǎn)物的各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和紅外光譜，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。研究表明，這些產(chǎn)物均為氫自由基加合物H·M(OH)3，其中一個(gè)氫原子與相鄰的氧原子和金屬原子同時(shí)形成了弱相互作用的化學(xué)鍵，該氫原子的電子自旋密度為0.76，顯示其擁有自由基的特征。團(tuán)隊(duì)提出了形成該氫自由基加合物H·M(OH)3應(yīng)該具備的先決條件，即需要在具有軟氦氣膨脹的激光濺射團(tuán)簇生長(zhǎng)通道中進(jìn)行有效碰撞，以實(shí)現(xiàn)碎片的結(jié)合反應(yīng)生成H·M(OH)3。該研究工作發(fā)現(xiàn)了具有高活性的中性金屬氫自由基加合物，為制備具有特殊物理化學(xué)性質(zhì)的物種提供了新策略。
相關(guān)研究成果以“Capturing Hydrogen Radicals by Neutral Metal Hydroxides”為題，于近日發(fā)表在《物理化學(xué)快報(bào)》（The Journal of Physical Chemistry Letters）上。該工作的第一作者是大連化物所2506組與鄭州大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生江帥。該工作得到國(guó)家科技部科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、大連化物所大連相干光源專(zhuān)項(xiàng)基金等項(xiàng)目的資助。（文/圖江帥）
