Since the discovery of the first drum-like CoB16 complex, metal-doped drum-like boron nanotubular structures have been investigated with various metal dopants and different tubular size, forming a new class of novel nanostructures. The CoB16 cluster was found to be composed of a central Co atom coordinated by two fused B8 rings in a tubular structure, representing the potential embryo of metal-filled boron nanotubes and providing opportunities to design one-dimensional metal-boron nanostructures. Here we report improved photoelectron spectroscopy and a more in-depth electronic structure analysis of CoB16, providing further insight into the chemical bonding and stability of the drum-like doped boron tubular structures. Most interestingly, we find that the central Co atom has an unusually low oxidation state of −1 and neutral CoB16 can be viewed as a charge transfer complex (Co@B16+), suggesting both covalent and electrostatic interactions between the dopant and the boron drum.

[1]
J.
Nagamatsu
,
N.
Nakagawa
,
T.
Muranaka
,
Y.
Zenitani
, and
J.
Akimitsu
,
Nature
410
,
63
(
2001
).
[2]
H. Y.
Chung
,
M. B.
Weinberger
,
J. B.
Levine
,
A.
Kavner
,
J. M.
Yang
,
S. H.
Tolbert
, and
R. B.
Kaner
,
Science
316
,
436
(
2007
).
[3]
J. S.
Kang
,
M.
Li
,
H.
Wu
,
H.
Nguyen
, and
Y.
Hu
,
Science
361
,
575
(
2018
).
[4]
F.
Tian
,
B.
Song
,
X.
Chen
,
N. K.
Ravichandran
,
Y.
Lv
,
K.
Chen
,
Se.
Sullivan
,
J.
Kim
,
Y.
Zhou
,
T. H.
Liu
,
M.
Goni
,
Z.
Ding
,
J.
Sun
,
G. A. G. U.
Gamage
,
H.
Sun
,
H.
Ziyaee
,
S.
Huyan
,
L.
Deng
,
J.
Zhou
,
A. J.
Schmidt
,
S.
Chen
,
C. W.
Chu
,
P. Y.
Huang
,
D.
Broido
,
L.
Shi
,
G.
Chen
, and
Z.
Ren
,
Science
361
,
582
(
2018
).
[5]
S.
Li
,
Q.
Zheng
,
Y.
Lv
,
X.
Liu
,
X.
Wang
,
P. Y.
Huang
,
D. G.
Cahill
, and
B.
Lv
,
Science
361
,
579
(
2018
).
[6]
A. N.
Alexandrova
,
A. I.
Boldyrev
,
H. J.
Zhai
, and
L. S.
Wang
,
Coord. Chem. Rev.
250
,
2811
(
2006
).
[7]
E.
Oger
,
N. R.
Crawford
,
R.
Kelting
,
P.
Weis
,
M. M.
Kappes
, and
R.
Ahlrichs
,
Angew. Chem. Int. Ed.
46
,
8503
(
2007
).
[8]
A. P.
Sergeeva
,
I. A.
Popov
,
Z. A.
Piazza
,
W. L.
Li
,
C.
Romanescu
,
L. S.
Wang
, and
A. I.
Boldyrev
,
Acc. Chem. Res.
47
,
1349
(
2014
).
[9]
L. S.
Wang
,
Int. Rev. Phys. Chem.
35
,
69
(
2016
).
[10]
B.
Kiran
,
S.
Bulusu
,
H. J.
Zhai
,
S.
Yoo
,
X. C.
Zeng
, and
L. S.
Wang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
102
,
961
(
2005
).
[11]
Z. A.
Piazza
,
H. S.
Hu
,
W. L.
Li
,
Y. F.
Zhao
,
J.
Li
, and
L. S.
Wang
,
Nat. Commun.
5
,
3113
(
2014
).
[12]
H. J.
Zhai
,
Y. F.
Zhao
,
W. L.
Li
,
Q.
Chen
,
H.
Bai
,
H. S.
Hu
,
Z. A.
Piazza
,
W. J.
Tian
,
H. G.
Lu
,
Y. B.
Wu
,
Y. W.
Mu
,
G. F.
Wei
,
Z. P.
Liu
,
J.
Li
,
S. D.
Li
, and
L. S.
Wang
,
Nat. Chem.
6
,
727
(
2014
).
[13]
W. L.
Li
,
X.
Chen
,
T.
Jian
,
T. T.
Chen
,
J.
Li
, and
L. S.
Wang
,
Nat. Rev. Chem.
1
,
0071
(
2017
).
[14]
W. L.
Li
,
H. S.
Hu
,
Y. F.
Zhao
,
X.
Chen
,
T. T.
Chen
,
T.
Jian
,
L. S.
Wang
, and
J.
Li
,
Sci. Sin. Chim.
48
,
98
(
2018
).
[15]
C.
Romanescu
,
T. R.
Galeev
,
A. P.
Sergeeva
,
W. L.
Li
,
L. S.
Wang
, and
A. I.
Boldyrev
,
J. Organomet. Chem.
721
,
148
(
2012
).
[16]
C.
Romanescu
,
T. R.
Galeev
,
W. L.
Li
,
A. I.
Boldyrev
, and
L. S.
Wang
,
Acc. Chem. Res.
46
,
350
(
2012
).
[17]
T. R.
Galeev
,
C.
Romanescu
,
W. L.
Li
,
L. S.
Wang
, and
A. I.
Boldyrev
,
Angew. Chem. Int. Ed.
51
,
2101
(
2012
).
[18]
C.
Romanescu
,
T. R.
Galeev
,
W. L.
Li
,
A. I.
Boldyrev
, and
L. S.
Wang
,
Angew. Chem. Int. Ed.
50
,
9334
(
2011
).
[19]
W. L.
Li
,
C.
Romanescu
,
T. R.
Galeev
,
Z. A.
Piazza
,
A. I.
Boldyrev
, and
L. S.
Wang
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
165
(
2011
).
[20]
I. A.
Popov
,
W. L.
Li
,
Z. A.
Piazza
,
A. I.
Boldyrev
, and
L. S.
Wang
,
J. Phys. Chem. A
118
,
8098
(
2014
).
[21]
I. A.
Popov
,
T.
Jian
,
G. V.
Lopez
,
A. I.
Boldyrev
, and
L. S.
Wang
,
Nat. Commun.
6
,
8654
(
2015
).
[22]
T.
Jian
,
W. L.
Li
,
X.
Chen
,
T. T.
Chen
,
G. V.
Lopez
,
J.
Li
, and
L. S.
Wang
,
Chem. Sci.
7
,
7020
(
2016
).
[23]
W. L.
Li
,
T.
Jian
,
X.
Chen
,
T. T.
Chen
,
G. V.
Lopez
,
J.
Li
, and
L. S.
Wang
,
Angew. Chem. Int. Ed.
55
,
7358
(
2016
).
[24]
T.
Jian
,
W. L.
Li
,
I. A.
Popov
,
G. V.
Lopez
,
X.
Chen
,
A. I.
Boldyrev
,
J.
Li
, and
L. S.
Wang
,
J. Chem. Phys.
144
,
154310
(
2016
).
[25]
W. L.
Li
,
T.
Jian
,
X.
Chen
,
H. R.
Li
,
T. T.
Chen
,
X. M.
Luo
,
S. D.
Li
,
J.
Li
, and
L. S.
Wang
,
Chem. Commun.
53
,
1587
(
2017
).
[26]
T. T.
Chen
,
W. L.
Li
,
T.
Jian
,
X.
Chen
,
J.
Li
, and
L. S.
Wang
,
Angew. Chem. Int. Ed.
56
,
6916
(
2017
).
[27]
W. L.
Li
,
T. T.
Chen
,
D. H.
Xing
,
X.
Chen
,
J.
Li
, and
L. S.
Wang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
115
,
E6972
(
2018
).
[28]
T. T.
Chen
,
W. L.
Li
,
J.
Li
, and
L. S.
Wang
,
Chem. Sci.
10
,
2534
(
2019
).
[29]
S. K.
Ritter
,
Chem. Eng. News
93
,
27
, (
2015
).
[30]
L. S.
Wang
,
H. S.
Cheng
, and
J.
Fan
,
J. Chem. Phys.
102
,
9480
(
1995
).
[31]
K.
Fehre
,
D.
Trojanowskaja
,
J.
Gatzke
,
M.
Kunitski
,
F.
Trinter
,
S.
Zeller
,
L. P. H.
Schmidt
,
J.
Stohner
,
R.
Berger
, and
A.
Czasch
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
045112
(
2018
).
[32]
Y.
Zhao
and
D. G.
Truhlar
,
Theor. Chem. Acc.
120
,
215
(
2008
).
[33]
T. H.
Dunning
 Jr.
,
J. Chem. Phys.
90
,
1007
(
1989
).
[34]
M.
Dolg
,
U.
Wedig
,
H.
Stoll
, and
H.
Preuss
,
J. Chem. Phys.
86
,
866
(
1987
).
[35]
J. M. L.
Martin
and
A.
Sundermann
,
J. Chem. Phys.
114
,
3408
(
2001
).
[36]
J.
Li
,
X.
Li
,
H. J.
Zhai
, and
L. S.
Wang
,
Science
299
,
864
(
2003
).
[37]
O. V.
Gritsenko
,
P. R. T.
Schipper
, and
E. J.
Baerends
,
Chem. Phys. Lett.
302
,
199
(
1999
).
[38]
ADF, 2016.101, SCM, Theoretical Chemistry,
Amsterdam, The Netherlands
,
Vrijie Universiteit
, (http://www.scm.com).
[39]
E.
van Lenthe
and
E. J.
Baerends
,
J. Comput. Chem.
24
,
1142
(
2003
).
[40]
E.
van Lenthe
,
E. J.
Baerends
, and
J. G.
Snijders
,
J. Chem. Phys.
99
,
4597
(
1993
).
[41]
T.
Ziegler
and
A.
Rauk
,
Inorg. Chem.
18
,
1558
(
1979
).
[42]
A.
Michalak
,
M.
Mitoraj
, and
T.
Ziegler
,
J. Phys. Chem. A
112
,
1933
(
2008
).
[43]
M. P.
Mitoraj
,
A.
Michalak
, and
T.
Ziegler
,
J. Chem. Theory Comput.
5
,
962
(
2009
).
[44]
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
[45]
R.
Hoffmann
,
S.
Alvarez
,
C.
Mealli
,
A.
Falceto
,
T. J.
Cahill
,
T.
Zeng
, and
G.
Manca
,
Chem. Rev.
116
,
8173
(
2016
).
[46]
R. S.
Mulliken
,
J. Chem. Phys.
23
,
1833
(
1955
).
[47]
M.
Swart
,
P. T. v.
Duijnen
, and
J. G.
Snijders
,
J. Comput. Chem.
22
,
79
(
2001
).
[48]
X.
Chen
,
T. T.
Chen
,
W. L.
Li
,
J. B.
Lu
,
L. J.
Zhao
,
T.
Jian
,
H. S.
Hu
,
L. S.
Wang
, and
J.
Li
,
Inorg. Chem.
58
,
411
(
2019
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.