双钽掺杂硼团簇的结构演化与电子特性研究：Ta2Bn?（n=10–20）团簇的DFT理论解析

本研究通过结合CALYPSO结构搜索与密度泛函理论(DFT)计算，系统探究了双钽掺杂硼团簇Ta2Bn?（n=10–20）的几何构型与电子特性。研究发现Ta2B17?团簇具有显著稳定性，其Ta-d轨道与B-s/p轨道强耦合作用及芳香性特征为新型硼基材料设计提供了理论依据。

　　

硼作为元素周期表中独特的缺电子元素，其团簇结构因多中心键的存在可形成从平面到笼状的复杂几何形态。近年来，过渡金属掺杂硼团簇因其特殊的电子结构和潜在应用成为研究热点，但双钽掺杂体系的结构演化规律尚不明确。成都理工大学的研究团队在《Computational and Theoretical Chemistry》发表论文，通过CALYPSO结构预测与PBE0-DFT计算，揭示了Ta₂B_n^?（n=10–20）团簇的构效关系。

研究采用CALYPSO软件进行1500余次结构搜索，结合DFT/PBE0方法优化几何构型，通过AdNDP（自适应自然密度划分）分析化学键，并利用电子化学屏蔽表面评估芳香性。

几何结构
研究发现Ta₂B_n^?基态结构普遍呈现低自旋多重度。当n=17时，Ta₂B₁₇^?展现出独特的双笼状结构，其能量显著低于相邻尺寸团簇。对比纯硼团簇B_n+2^?的平面/管状结构，钽掺杂诱导了三维化转变。

电子特性
轨道成分分析显示Ta-5d与B-2s/2p轨道存在强杂化，AdNDP方法鉴定出关键的Ta–B和B–B单键网络。特别在Ta₂B₁₇^?中，离域电子形成全局芳香性，其化学屏蔽表面呈现典型的各向同性特征。

结论与意义
该研究首次阐明双钽掺杂硼团簇的尺寸依赖结构演化规律，发现Ta₂B₁₇^?的"魔法数"稳定性源于其独特的电子离域体系。成果为设计具有特定功能的金属-硼杂化材料提供了理论指导，尤其在催化、储氢等领域具有应用前景。研究团队特别指出，Ta–B键的定向调控可能成为开发新型团簇基元材料的关键。