Chem. Eur. J. :固体核磁晶体学准确测定局部原子结构

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氢元素是地球上最为丰富的元素之一,广泛的存在于各种无机,有机以及生物材料。氢原子通常会形成氢键,从而对各种材料的结构、物理化学性质以及其生物材料的活性产生影响。虽然,X射线衍射法能够测量晶体结构,但是其缺乏准确测量单电子原子-氢原子的能力。


为了解决这一问题,Sophia Hayes 课题组 (Washington University in St.Louis) 开发了一种新型的固体核磁晶体学。其主要原理是将固体核磁共振(Solid-State Nuclear Magnetic Resonance)与计算化学等技术相结合,解决原子位置测定的问题。相比于传统的X射线衍射法,固体核磁共振技术能够更加准确的测定局部原子结构。



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Hayes课题组以CO2 固定的产物之一nesquehonite[MgCO3•3H2O]作为研究材料,一方面通过固体核磁技术精确的测量氢原子和碳原子之间的距离以及碳原子的静态核磁谱图。另一方面则通过密度泛函理论计算模拟筛选不同的晶体结构,同时模拟其相对应的固体核磁实验结果。通过模拟数据与实验数据的对比,精确地确定了氢原子位置。研究发现,包含范德华力的交换关联势能够显著的提高密度泛函理论计算中氢键的预测准确性。研究还同时对比了新核磁晶体方法学与传统中子衍射方法学的准确性。结果表明,在两种方法中氢原子的相对位置误差范围在0.025 Å。这项研究表明,固体核磁与泛函理论计算相结合能够提供大范围结构筛选的可能。固体核磁晶体方法学不仅能够应用于氢原子,其还可广泛应用于很多不同的元素来研究不同的材料。例如金属催化剂在多孔材料表面附着的结构。相对于中子衍射仪高昂的设备费,核磁共振方法晶体学具有更加广阔的应用范围以及可行性。

文信息

Resolving the Chemical Formula of Nesquehonite via NMR Crystallography, DFT Computation, and Complementary Neutron Diffraction

Dr. Jinlei Cui, Dr. Timothy R. Prisk, Dr. David L. Olmsted, Vicky Su, Prof. Mark Asta, Prof. Sophia E. Hayes


Chemistry – A European Journal 

DOI: 10.1002/chem.202203052




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