近日，我所化学反应动力学全国重点实验室团簇光谱与动力学研究组（2506组）江凌研究员、李刚副研究员研究团队，利用自主研制的中性团簇红外光谱实验站，系统研究了BaOH水合团簇的结构演变与解离过程，发现仅需3个水分子即可诱导Ba与OH地分离，揭示了碱溶解过程的微观机制，为理解闭壳层体系的早期溶剂化过程提供了新思路。
碱的溶解是酸碱化学中的重要基本过程，在电池、医药等领域具有重要作用。其中，“多少个水分子可以促使碱开始溶解？”是该领域最具挑战性的关键科学问题之一。在复杂的溶剂环境中，利用常规的实验方法难以测量氢键、质子转移、电子离域和静电相互作用等信息，碱水合团簇是研究上述问题及结构演变规律的理想模型。然而，中性团簇因缺乏电荷而难于探测和质量选择，导致中性碱水合团簇的精密光谱研究长期受限于尺寸选择的技术瓶颈。
为实现中性团簇的精准探测与结构解析，江凌与李刚研究团队自主开发了基于红外激发和极紫外阈值电离技术（IR-VUV）的中性团簇红外光谱实验站，实现了质量选择中性团簇的高灵敏红外光谱探测、结构表征和反应性能研究（Rev. Sci. Instrum.，2020；J. Phys. Chem. Lett.，2020）。结合大连相干光源和桌面极紫外光源，该实验站已被用于非金属团簇（水团簇：Proc. Natl. Acad. Sci.，2020； Nat. Commun.，2020；Cell Rep. Phys. Sci.，2022；J. Chem. Phys.，2023；J. Phys. Chem. Lett.，2024；Nat. Commun.，2025）和金属团簇（金属羰基化合物：Angew. Chem. Int. Ed.，2023）等体系的中性团簇光谱研究。
在本工作中，江凌和李刚团队利用基于IR-VUV技术的中性团簇红外光谱实验站，结合桌面极紫外光源，测定了中性碱水合团簇BaOH(H2O)n（n = 1至5）的红外光谱。团队将实验光谱与量子化学谐性计算和分子动力学非谐振动模拟相结合，发现当水合数n为 1和2时，水分子通过O-H⋯O氢键直接与BaOH相作用，Ba与OH未解离；当n大于等于 3时，Ba与OH发生解离，形成溶剂共享离子对结构。电子结构分析表明，随着水分子数目的增加，电荷转移降低了静电吸引力，氢键网络的形成促进了Ba与OH的解离，揭示了碱溶解过程的微观机制。该体系可作为描述开壳层实体与水分子之间静电和诱导效应相互作用的模型，为理解各种闭壳层体系的早期溶剂化过程提供了新的策略。
相关研究成果以“IR-VUV Photoionization Spectra of Hydrated BaOH Reveal Base Dissociation in Growing Water Clusters”为题，于近日发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该工作的第一作者是我所2506组博士研究生闫文汇。该工作得到国家自然科学基金、国家自然科学基金委“动态化学前沿研究”基础科学中心项目、科技部科技创新2030-重大项目、中国科学院B类先导专项“基于极紫外光源的化学反应过渡态精准探测”等项目的资助。（文/图 闫文汇）
