Element effects in endohedral metal–metal-bonding fullerenes M2@C82 (M = Sc, Y, La, Lu)

富勒烯 内面体富勒烯 金属 材料科学 结晶学 化学 冶金 有机化学
作者
Yuan Shui,Dong Liu,Pei Zhao,Xiang Zhao,Masahiro Ehara,Xing Lu,Takeshi Akasaka,Tao Yang
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:159 (24)
标识
DOI:10.1063/5.0180309
摘要

Endohedral metal-metal-bonding fullerenes have recently emerged, in which encapsulated metals form a metal-metal bond. However, the physical reasons why some metal elements prefer to form metal-metal bonds inside fullerene are still unclear. Herein, we reported first-principles calculations on electronic structures, bonding properties, dynamics, and thermodynamic stabilities of endohedral metallofullerenes M2@C82 (M = Sc, Y, La, Lu). Multiple bonding analysis approaches unambiguously reveal the existence of one two-center two-electron σ covalent metal-metal bond in M2@C82 (M = Sc, Y, Lu); however, the La-La bonding interaction in La2@C82 is weaker and could not be categorized as one metal-metal covalent bond. The energy decomposition analysis on bonding interactions between an encapsulated metal dimer and fullerene cages suggested that there exist two electron-sharing bonds between a metal dimer and fullerene cages. The reasons why La2 prefers to donate electrons to fullerene cages rather than form a standard σ covalent metal-metal bond are mainly attributed to two following facts: La2 has a lower ionization potential, while the hybridization of ns, (n - 1)d, and np atomic orbitals in La2 is higher. Ab initio molecular dynamic simulations reveal that the M-M bond length at room temperature follows the trend of Sc < Lu < Y. The statistical thermodynamics calculations at different temperatures reveal that the experimentally observed endohedral metal-metal-bonding fullerenes M2@C82 have high concentrations in the endohedral fullerene formation temperature range.
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