由于含氟化合物獨特的物理化學(xué)性能，使得其在現(xiàn)代化學(xué)和材料中扮演著越來越重要的角色。氧氟混合配位基元如BO3F，BO2F2，COF3，PO3F，SO3F等都已在對應(yīng)的硼酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽等晶體結(jié)構(gòu)中被發(fā)現(xiàn)，但硅酸鹽是個例外。硅酸鹽結(jié)構(gòu)多樣、種類繁多，具有島狀的橄欖石、層狀的石英、環(huán)狀的蒙脫石等結(jié)構(gòu)類型，其結(jié)構(gòu)豐富性僅次于碳酸鹽。這使得硅酸鹽具有多樣的物化性能，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)、科研及日常生活中，如離子導(dǎo)體、激光材料、催化性能、離子交換、吸附劑等。近年來含氟硅酸鹽的研究成為硅酸鹽的一個研究熱點。然而到目前為止，在無機晶體結(jié)構(gòu)中還沒有發(fā)現(xiàn)具有氧氟混合配位的SiOxF4-x四面體或SiOxF6-x八面體的化合物（以下稱氟化硅酸鹽）。
在經(jīng)典的硅酸鹽結(jié)構(gòu)中，由SiO4四面體共頂點連接形成復(fù)雜多樣的Si-O框架。含SiO6八面體化合物則僅存在于高溫高壓的深層地幔中，如金紅石型的SiO2和鈦鐵礦型MgSiO3等。在常壓下，SiO6八面體目前只存在于少數(shù)幾個復(fù)合硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中，如SiP2O7,Si5P6O25,(NH4)2SiP4O13，Rb2SiP4O13,Ca3Si(OH)6(CO3)(SO4)·12H2O和BaH2Si(P2O7)2。中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室潘世烈團(tuán)隊通過系統(tǒng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這些化合物都具有電負(fù)性較強的非金屬原子，如氫、磷、硫等，并且通過氧原子與SiO6基元直接相連，它們在SiO6八面體的形成中可能扮演著重要角色。而SiO6八面體中的Si-O鍵明顯弱于SiO4四面體中的Si-O鍵，因此SiO6中的氧更易被氟取代。為了進(jìn)一步研究Si-O的配位規(guī)則和拓展硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊選擇在硅磷酸鹽中引入氟，設(shè)計合成含有SiOxF6-x八面體配位的氟化硅酸鹽。為了防止氟在高溫合成中揮發(fā)，合成途徑選擇在密閉體系中。經(jīng)過系統(tǒng)的實驗探索，該團(tuán)隊合成了首例含SiO2F4八面體的無機晶體K4Si3P2O7F12。其晶體結(jié)構(gòu)通過單晶XRD、鍵價計算、固態(tài)核磁、元素分析以及紅外光譜等技術(shù)很好地確定。通過鍵價和第一型原理計算分析，認(rèn)為在該結(jié)構(gòu)中，P原子是SiO2F4八面體穩(wěn)定存在的關(guān)鍵因素。這對于合成新的氟化硅酸鹽化合物具有重要的指導(dǎo)作用。
相關(guān)研究成果發(fā)表在化學(xué)期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。這項研究成果是該團(tuán)隊在研究系列氟硼酸鹽（如Li2B6O9F2 (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3916), NH4B4O6F (J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 10645), NaB4O6F(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 6577)， RbB4O6F (Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 2150),CsB4O6F (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14119)，和SrB5O7F3(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 6095)）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展深紫外光電功能晶體材料研究體系的最新進(jìn)展。
該研究工作得到國家基金委、科技部、中科院等項目資助。
圖：K4Si3P2O7F12晶體結(jié)構(gòu)和固態(tài)核磁表征
來源：中國科學(xué)院網(wǎng)站