科研动态｜熊孝根副教授在锕系化学领域发表重要成果

       近日，国际著名综合性期刊《自然×通讯》（Nature Communications）发表了我院熊孝根副教授等人的最新科研成果《The unusual quadruple bonding of nitrogen in ThN》（图一）。通过量子化学计算和光电子能谱实验相结合，研究者在ThN分子中首次发现了氮元素参与的四重键，拓展了人们对锕系元素同主族元素间化学成键的认知。

图一：文章于2023年11月24日在线发表于Nature Communications

图二：ThN-负离子光电子能谱图

       钍-232在吸收中子后可转换为易裂变的U-233，是钍燃料循环的增殖性材料，对钍元素重要化合物的基础物化性质研究对钍燃料循环反应堆技术的开发具有重要意义。

       该研究通过低温慢电子速度成像技术获取ThC-和ThN-负离子的光电子能谱图（图二），以极高的精度测量了ThC和ThN分子的电子亲和能（EA）分别为1.562 eV和1.576 eV；通过包含相对论效应和复杂电子相关的高精度电子结构理论计算了所研究分子的基态和低能激发态电子结构，并对实验光谱进行了精确指认。

图三：基于ETS-NOCV分析所得ThC和ThN分子的变形密度图

       该研究在精确电子结构计算基础上，采用现代化学成键理论对所研究分子中的化学键进行了深入分析。氮原子有五个价电子，根据化学教科书中的八隅律（Octet Rule），氮原子最多可以同其它原子共用三个电子对形成三重键。结合多种成键分析方法，我们发现在ThN分子中氮原子与钍原子形成了独特的四重键。基于扩展过渡态-化学价的自然轨道（ETS-NOCV）的理论分析显示（图三），Th≣N四重键中除Th的6dxz/6dyz 轨道同N的2px/2py轨道形成的两个p键和一个较强的s键以外，还有一个较弱的Th¬N s配位键，其主要成分包括Th的6dz2轨道和N的2s/2pz轨道。ThC具有与ThN相似的成键模式，由于ThC比ThN少一个成键电子，由此得到ThC的键级为3.5。

       论文第一作者为中科院上海应物所费泽杰副研究员和清华大学王家琪博士；熊孝根副教授、清华大学宁传刚教授和上海应物所刘洪涛研究员为共同通讯作者。该研究成果得到国家自然科学基金、广州市科技计划项目和中山大学高校基本科研业务费等项目的资助支持。

图文：熊孝根

初审：周越

审核：马显锋、刘李云

审核发布：徐瑶