Reactions of gas-phase species with small molecules are being actively studied to understand the elementary steps and mechanistic details of related condensed-phase processes. Activation of the very inert N≡N triple bond of dinitrogen molecule by isolated gas-phase species has attracted considerable interest in the past few decades. Apart from molecular adsorption and dissociative adsorption, interesting processes such as C-N coupling and degenerate ligand exchange were discovered. The present review focuses on the recent progress on adsorption, activation, and functionalization of N2 by gas-phase species (particularly metal cluster ions) using mass spectrometry, infrared photo-dissociation spectroscopy, anion photoelectron spectroscopy, and quantum chemical calculations including density functional theory and high-level ab initio calculations. Recent advances including characterization of adsorption products, dependence of clusters’ reactivity on their sizes and structures, and mechanisms of N≡N weakening and splitting have been emphasized and prospects have been discussed.
References
[1]
U.
Achatz
, C.
Berg
, S.
Joos
, B. S.
Fox
, M. K.
Beyer
, G.
Niedner-Schatteburg
, and V. E.
Bondybey
, Chem. Phys. Lett.
320
, 53
(2000
).[2]
S. D.
Zhou
, J. L.
Li
, M.
Schlangen
, and H.
Schwarz
, Angew. Chem. Int. Ed.
55
, 7685
(2016
).[3]
H. F.
Li
, Y. X.
Zhao
, Z.
Yuan
, Q. Y.
Liu
, Z. Y.
Li
, X. N.
Li
, C. G.
Ning
, and S. G.
He
, J. Phys. Chem. Lett.
8
, 605
(2017
).[4]
T.
Zhang
, Z. Y.
Li
, M. Q.
Zhang
, and S. G.
He
, J. Phys. Chem. A 120, 4285 (2016)
.[5]
J. B.
Ma
, X. N.
Wu
, Y. X.
Zhao
, X. L.
Ding
, and S. G.
He
, Chin. J. Chem. Phys.
23
, 133
(2010
).[6]
L.
Operti
and R.
Rabezzana
, Mass Spectrom. Rev.
25
, 483
(2006
).[7]
F.
Dong
, S.
Heinbuch
, Y.
Xie
, J. J.
Rocca
, E. R.
Bernstein
, Z. C.
Wang
, K.
Deng
, and S. G.
He
, J. Am. Chem. Soc.
130
, 1932
(2008
).[8]
Z. C.
Wang
, X. L.
Ding
, Y. P.
Ma
, H.
Cao
, X. N.
Wu
, Y. X.
Zhao
, and S. G.
He
, Chin. Sci. Bull.
54
, 2814
(2009
).[9]
J.
Roithová
and D.
Schroöder
, Chem. Rev.
110
, 1170
(2010
).[10]
X. N.
Wu
, Y. X.
Zhao
, S. G.
He
, and X. L.
Ding
, Chin. J. Chem. Phys.
22
, 635
(2009
).[11]
E.
Hossain
, D. W.
Rothgeb
, and C. C.
Jarrold
, J. Chem. Phys.
133
, 024305
(2010
).[12]
D. W.
Rothgeb
, E.
Hossain
, J. E.
Mann
, and C. C.
Jarrold
, J. Chem. Phys.
132
, 064302
(2010
).[13]
X. X.
Zhang
, G. X.
Liu
, K. H.
Meiwes-Broer
, G.
Ganteför
, and K. H.
Bowen
, Angew. Chem. Int. Ed.
55
, 9644
(2016
).[14]
L. X.
Jiang
, C.
Zhao
, X. N.
Li
, H.
Chen
, and S. G.
He
, Angew. Chem. Int. Ed.
56
, 4187
(2017
).[15]
Y. Z.
Liu
, L. X.
Jiang
, X. N.
Li
, L. N.
Wang
, J. J.
Chen
, and S. G.
He
, J. Phys. Chem. C
122
, 19379
(2018
).[16]
G. X.
Liu
, S. M.
Ciborowski
, Z. G.
Zhu
, Y.
Chen
, X. X.
Zhang
, and K. H.
Bowen
, Phys. Chem. Chem. Phys.
21
, 10955
(2019
).[17]
G. X.
Liu
, P.
Poths
, X. X.
Zhang
, Z. G.
Zhu
, M.
Marshall
, M.
Blankenhorn
, A. N.
Alexandrova
, and K. H.
Bowen
, J. Am. Chem. Soc.
142
, 7930
(2020
).[18]
J. H.
Meng
and S. G.
He
, J. Phys. Chem. Lett.
5
, 3890
(2014
).[19]
X. H.
Zhou
, Z. Y.
Li
, T. M.
Ma
, and S. G.
He
, J. Phys. Chem. C
120
, 10452
(2016
).[20]
L. X.
Jiang
, X. N.
Li
, H. F.
Li
, Z. X.
Zhou
, and S. G.
He
, Chem. Asian J.
11
, 2730
(2016
).[21]
Y.
Zhang
, Z. Y.
Li
, Y. X.
Zhao
, H. F.
Li
, X. L.
Ding
, H. Y.
Zhang
, and S. G.
He
, J. Phys. Chem. A
121
, 4069
(2017
).[22]
X. P.
Zou
, Z. Y.
Li
, X. N.
Li
, L. N.
Wang
, H. F.
Li
, T. M.
Ma
, and S. G.
He
, Top. Catal.
61
, 28
(2018
).[23]
L. X.
Jiang
, X. N.
Li
, Z. Y.
Li
, H. F.
Li
, and S. G.
He
, Chin. J. Chem. Phys.
31
, 457
(2018
).[24]
H. J.
Himmel
, O.
Huübner
, W.
Klopper
, and L.
Manceron
, Angew. Chem. Int. Ed.
45
, 2799
(2006
).[25]
Y.
Gong
, Y. Y.
Zhao
, and M. F.
Zhou
, J. Phys. Chem. A
111
, 6204
(2007
).[26]
M. F.
Zhou
, X.
Jin
, Y.
Gong
, and J.
Li
, Angew. Chem. Int. Ed.
46
, 2911
(2007
).[27]
S.
Dillinger
, J.
Mohrbach
, J.
Hewer
, M.
Gaffga
, and G.
Niedner-Schatteburg
, Phys. Chem. Chem. Phys.
17
, 10358
(2015
).[28]
L. H.
Mou
, Q. Y.
Liu
, T.
Zhang
, Z. Y.
Li
, and S. G.
He
, J. Phys. Chem. A
122
, 3489
(2018
).[29]
Z. Y.
Li
, L. H.
Mou
, G. P.
Wei
, Y.
Ren
, M. Q.
Zhang
, Q. Y.
Liu
, and S. G.
He
, Inorg. Chem.
58
, 4701
(2019
).[30]
C. Y.
Geng
, J. L.
Li
, T.
Weiske
, and H.
Schwarz
, Proc. Natl. Acad. Sci. USA
115
, 11680
(2018
).[31]
C. Y.
Geng
, J. L.
Li
, T.
Weiske
, and H.
Schwarz
, Proc. Natl. Acad. Sci. USA
116
, 21416
(2019
).[32]
Y.
Zhao
, J. T.
Cui
, M.
Wang
, D. Y.
Valdivielso
, A.
Fielicke
, L. R.
Hu
, X.
Cheng
, Q. Y.
Liu
, Z. Y.
Li
, S. G.
He
, and J. B.
Ma
, J. Am. Chem. Soc.
141
, 12592
(2019
).[33]
L. H.
Mou
, Z. Y.
Li
, Q. Y.
Liu
, and S. G.
He
, J. Am. Soc. Mass Spectrom.
30
, 1956
(2019
).[34]
X.
Cheng
, Z. Y.
Li
, L. H.
Mou
, Y.
Ren
, Q. Y.
Liu
, X. L.
Ding
, and S. G.
He
, Chem. Eur. J.
25
, 16523
(2019
).[35]
Z. Y.
Li
, Y.
Li
, L. H.
Mou
, J. J.
Chen
, Q. Y.
Liu
, S. G.
He
, and H.
Chen
, J. Am. Chem. Soc.
142
, 10747
(2020
).[36]
Y. X.
Zhao
, Z. Y.
Li
, Y. Y, and S. G.
He
, Acc. Chem. Res.
51
, 2603
(2018
).[37]
V.
Canale
, A.
Zavras
, G. N.
Khairallah
, N.
d’Alessandro
, and R. A. J.
O’Hair
, Eur. J. Mass Spectrom.
21
, 557
(2015
).[38]
[39]
E.
Janssens
, S. M.
Lang
, M.
Brummer
, A.
Niedziela
, G.
Santambrogio
, K. R.
Asmis
, and J.
Sauer
, Phys. Chem. Chem. Phys.
14
, 14344
(2012
).[40]
R. A. J.
OHair
, Int. J. Mass Spectrom.
377
, 121
(2015
).[41]
D. K.
Bohme
and H.
Schwarz
, Angew. Chem. Int. Ed.
44
, 2336
(2005
).[42]
H.
Schwarz
, Angew. Chem. Int. Ed.
44
, 2336
(2005
).[43]
S. D.
Zhou
, J. L.
Li
, M.
Schlangen
, and H.
Schwarz
, Acc. Chem. Res.
49
, 494
(2016
).[44]
H.
Schwarz
, Coord. Chem. Rev.
334
, 112
(2017
).[45]
Z. X.
Luo
, A. W.
Castleman
, and S. N.
Khanna
, Chem. Rev.
116
, 14456
(2016
).[46]
J. A.
Felton
, M.
Ray
, S. E.
Waller
, J. O.
Kafader
, and C. C.
Jarrold
, J. Phys. Chem. A
118
, 9960
(2014
).[47]
E.
Janssens
, S. M.
Lang
, M.
Brummer
, A.
Niedziela
, G.
Santambrogio
, K. R.
Asmis
, and J.
Sauer
, Phys. Chem. Chem. Phys.
14
, 14344
(2012
).[48]
Q. Y.
Liu
and S. G.
He
, Chem. J. Chin. U.
35
, 665
, (2014
).[49]
L. N.
Wang
, X. N.
Li
, and S. G.
He
, Sci. China Mater.
63
, 892
(2019
).[50]
X. N.
Li
, X. P.
Zou
, and S. G.
He
, Chin. J. Catal.
38
, 1515
(2017
).[51]
X. N.
Li
, L. N.
Wang
, L. H.
Mou
, and S. G.
He
, J. Phys. Chem. A
123
, 9257
(2019
).[52]
Y. X.
Zhao
, Q. Y.
Liu
, M. Q.
Zhang
, and S. G.
He
, Dalton Trans.
45
, 11471
(2016
).[53]
F. A.
Cotton
, G.
Wilkinson
, C. A.
Murillo
, and M.
Bochmann
, Advanced Inorganic Chemistry
(6th Edn.), New York
: Wiley
, (1999
).[54]
H. P.
Jia
and E. A.
Quadrelli
, Chem. Soc. Rev.
43
, 547
(2014
).[55]
M. D.
Fryzuk
and S. A.
Johnson
, Coord. Chem. Rev.
200
, 379
(2000
).[56]
B. M.
Hoffman
, D.
Lukoyanov
, Z. Y.
Yang
, D. R.
Dean
, and L. C.
Seefeldt
, Chem. Rev.
114
, 4041
(2014
).[57]
Z. J.
Lv
, J. N.
Wei
, W. X.
Zhang
, P.
Chen
, D. H.
Deng
, Z. J.
Shi
, and Z. F
Xi
, Natl. Sci. Rev.
142
, doi: 10.1093/nsr/nwaa142 (2020
).[58]
S.
Gambarotta
and J.
Scott
, Angew. Chem. Int. Ed.
43
, 5298
(2004
).[59]
L. C.
Seefeldt
, B. M.
Hoffman
, J. W.
Peters
, S.
Raugei
, D. N.
Beratan
, E.
Antony
, and D. R.
Dean
, Acc. Chem. Res.
51
, 2179
(2018
).[60]
X. Y.
Cui
, C.
Tang
, and Q.
Zhang
, Adv. Energy Mater.
8
, 1800369
(2018
).[61]
N.
Zhang
, C.
Gao
, and Y. J.
Xiong
, J. Energy Chem.
37
, 43
(2019
).[62]
H. J.
Himmel
and M.
Reiher
, Angew. Chem. Int. Ed.
45
, 6264
(2006
).[63]
N. X.
Gu
, G.
Ung
, and J. C.
Peters
, Chem. Commun.
55
, 5363
(2019
).[64]
M. D.
Mors
, M. E.
Geusic
, J. R.
Heath
, and R. E.
Smalley
, J. Chem. Phys.
83
, 2293
(1985
).[65]
Y. M.
Hamrick
and M. D.
Morse
, J. Phys. Chem.
93
, 6494
(1989
).[66]
S. A.
Mitchell
, L.
Lian
, D. M.
Rayner
, and P. A.
Hackett
, J. Chem. Phys.
103
, 5539
(1995
).[67]
S. A.
Mitchell
, D. M.
Rayner
, T.
Bartlett
, and P. A.
Hackett
, J. Chem. Phys.
104
, 4012
(1996
).[68]
Y. M.
Hamrick
and M. D.
Morse
, J. Phys. Chem.
93
, 6494
(1989
).[69]
P. J.
Brucat
, C. L.
Pettiette
, S.
Yang
, L. S.
Zheng
, M. J.
Craycraft
, and R. E.
Smalley
, J. Chem. Phys.
85
, 4747
(1986
).[70]
A.
Nakajima
, T.
Kishi
, Y.
Sone
, S.
Nonose
, and K. Z.
Kaya
, Phys. D Atoms, Molecules and Clusters
19
, 385
, (1991
).[71]
E.
Kapiloff
and K. M.
Ervin
, J. Phys. Chem. A 101
, 8460
, (1997
)[72]
J.
Mwakapumba
and K. M.
Ervin
, Int. J. Mass Spectrom.
161
, 161
, (1997
).[73]
Y. N.
Wu
, M.
Schmidt
, J.
Leygnier
, H. P.
Cheng
, A.
Masson
, and C.
Brechignac
, J. Chem. Phys.
136
, 024314
, (2012
).[74]
P. A.
Hintz
and K. M.
Ervin
, J. Chem. Phys.
103
, 7897
, (1995
).[75]
Z.
Yuan
, Y. X.
Zhao
, X. N.
Li
, and S. G.
He
, Int. J. Mass Spectrom.
354
, 105
, (2013
).[76]
R. C.
Bell
, K. A.
Zemski
, D. R.
Justes
, and A. W.
Castleman
, J. Chem. Phys.
114
, 798
, (2001
).[77]
L. D.
Socaciu
, J.
Hagen
, U.
Heiz
, T. M.
Bernhardt
, T.
Leisner
, and L.
Wöste
, Chem. Phys. Lett.
340
, 282
, (2001
).[78]
C.
Berg
, T.
Schindler
, G.
Niedner-Schatteburg
, and V. E.
Bondybey
, J. Chem. Phys.
102
, 4870
, (1995
).[79]
S.
Maruyama
, L. R.
Anderson
, and R. E.
Smalley
, Rev. Sci. Instrum.
61
, 3686
(1990
).[80]
C.
Berg
, T.
Schindler
, G.
Niedner-Schatteburg
, and V. E.
Bondybey
, J. Chem. Phys.
102
, 4870
(1995
).[81]
Q. Y.
Liu
, L. R.
Hu
, Z. Y.
Li
, C. G.
Ning
, J. B.
Ma
, H.
Chen
, and S. G.
He
, J. Chem. Phys.
142
, 164301
(2015
).[82]
O. C.
Thomas
, W. J.
Zheng
, and K. H.
Bowen
, J. Chem. Phys.
114
, 5514
(2001
).[83]
R. C.
Spiker
, C.
Trindle
, and L.
Andrews
, J. Am. Chem. Soc.
94
, 2401
(1972
).[84]
G. A.
Ozin
and A. V.
Voet
, Can. J. Chern.
51
, 3332
(1973
).[85]
G. V.
Chertihin
, W. D.
Bare
, and L.
Andrews
, J. Phys. Chem. A
102
, 3697
(1998
).[86]
G. V.
Chertihin
, L. Andrews. and C. W.
Bauschlicher
, J. Am. Chem. Soc.
120
, 3205
(1998
).[87]
A.
Citra
and L.
Andrews
, J. Am. Chem. Soc.
121
, 11567
(1999
).[88]
H. J.
Himmel
, O.
Hbner
, W.
Klopper
, and L.
Manceron
, Angew. Chem. Int. Ed.
45
, 2799
(2006
).[89]
M. F.
Zhou
, X. J
, Y. G
, and J.
Li
, Angew. Chem. Int. Ed.
46
, 2911
(2007
).[90]
Y. G, Y. Y. Z, and
M. F.
Zhou
, J. Phys. Chem. A
111
, 6204
(2007
).[91]
L.
Manceron
, O.
Hbner
, and H. J.
Himmel
, Eur. J. Inorg. Chem.
5
, 595
(2009
).[92]
C. C.
Wang
, J.
Zhuang
, G. J.
Wang
, M. H.
Chen
, Y. Y.
Zhao
, X. M.
Zheng
, and M. F.
Zhou
, J. Phys. Chem. A
114
, 8083
(2010
).[93]
D.
Roy
, A.
Navarro-Vazquez
, and P. V. R.
Schleyer
, J. Am. Chem. Soc.
131
, 13045
(2009
).[94]
B. P.
Cao
, A. K.
Starace
, O. J.
Judd
, I.
Bhattacharyya
, M. F.
Jarrold
, J. M.
Ĺopez
, and A.
Aguado
, J. Am. Chem. Soc.
132
, 12906
(2010
).[95]
B. S.
Kulkarni
, S.
Krishnamurty
, and S.
Pal
, J. Phys. Chem. C
115
, 14615
(2011
).[96]
B. P.
Cao
, A. K.
Starace
, O. J.
Judd
, M. F.
Jarrold
, and I.
Bhattacharyya
, J. Chem. Phys.
141
, 204304
(2014
).[97]
S. H.
Pullins
, J. E.
Reddic
, M. R.
France
, and M. A.
Duncan
, J. Chem. Phys.
108
, 2725
(1998
).[98]
K. N.
Kirschner
, B.
Ma
, J. P.
Bowen
, and M. A.
Duncan
, Chem. Phys. Lett.
295
, 204
(1998
).[99]
L. J.
Cao
, H. Q.
Ai
, L. M.
Zheng
, S. N.
Wang
, M. J.
Zhou
, J. F.
Liu
, and C. J.
Zhang
, Mol. Structure-Theochem.
948
, 65
(2010
).[100]
K. W.
Ding
, X. W.
Li
, H. G.
Xu
, T. Q.
Li
, Z. X.
Ge
, Q.
Wang
, and W. J.
Zheng
, Chem. Sci.
6
, 4723
(2015
).[101]
Y. M.
Hamrick
and M. D.
Morse
, J. Phys. Chem.
93
, 6494
(1989
).[102]
L.
Holmgren
, M.
Andersson
, and A.
Rośen
, J. Chem. Phys.
109
, 3232
(1998
).[103]
E. D.
Pillai
, T. D.
Jaeger
, and M. A.
Duncan
, J. Phys. Chem. A
109
, 3521
(2005
).[104]
L.
Tan
, F. Y.
Liu
, and P. B.
Armentrout
, J. Chem. Phys.
124
, 084302
(2006
).[105]
F. Y.
Liu
, M.
Li
, L.
Tan
, and P. B.
Armentrout
, J. Chem. Phys.
128
, 194313
(2008
).[106]
S.
Dillinger
, J.
Mohrbach
, J.
Hewer
, M.
Gaffga
, and G.
Niedner-Schatteburg
, Phys. Chem. Chem. Phys.
17
, 10358
(2015
).[107]
J.
Mohrbach
, S.
Dillinger
, and G.
Niedner-Schatteburg
, J. Phys. Chem. C
121
, 10907
(2017
).[108]
S.
Dillinger
, J.
Mohrbach
, and G.
Niedner-Schatteburg
, J. Chem. Phys.
147
, 184305
(2017
).[109]
K.
Ohshimo
, I.
Mizuuchi
, K.
Akimoto
, K.
Tsukamoto
, M.
Tona
, H.
Yamamoto
, M.
Nakano
, and F.
Misaizu
, Chem. Phys. Lett.
682
, 60
(2017
).[110]
H.
Xie
, L.
Shi
, X. P.
Xing
, and Z. C.
Tang
, Phys. Chem. Chem. Phys.
18
, 4444
(2016
).[111]
A.
Berces
, P. A.
Hackett
, L.
Li
, S. A.
Mitchell
, and D. M.
Rayner
, J. Chem. Phys.
108
, 5476
(1998
).[112]
E. D.
Pillai
, T. D.
Jaeger
, and M. A.
Duncan
, J. Am. Chem. Soc.
129
, 2297
(2007
).[113]
X. L.
Lei
, Chin. Phys. B
19
, 107103
(2010
).[114]
C.
Kerpal
, D. J.
Harding
, J. T.
Lyon
, G.
Meijer
, and A.
Fielicke
, J. Phys. Chem. C
117
, 12153
(2013
).[115]
S.
Dillinger
, M. P.
Klein
, A.
Steiner
, D. C.
McDonald
, M. A.
Duncan
, M. M.
Kappes
, and G.
Niedner-Schatteburg
, J. Phys. Chem. Lett.
9
, 914
(2018
).[116]
A. D.
Brathwaite
, H. L.
Abbott-Lyon
, and M. A.
Duncan
, J. Phys. Chem. A
120
, 7659
(2016
).[117]
M. P.
Klein
, A. A.
Ehrhard
, J.
Mohrbach
, S.
Dillinger
, and G.
Niedner-Schatteburg
, Top. Catal.
61
, 106
(2018
).[118]
M. K.
Yadav
and A.
Mookerjee
, Physica B
405
, 3940
(2010
).[119]
F.
Mafuńe
, Y.
Tawaraya
, and S.
Kudoh
, J. Phys. Chem. A
120
, 4089
(2016
).[120]
Y. D.
Kim
, D.
Stolcic
, M.
Fischer
, and G.
Ganteför
, J. Chem. Phys.
19
, 10307
(2003
).[121]
K.
Sugawara
, W.
Yamaguchi
, Y.
Shimoi
, and J.
Murakami
, Chem. Phys. Lett.
667
, 267
(2017
).[122]
R. M.
Cox
, A.
Kafle
, P. B.
Armentrout
, and K. A.
Peterson
, J. Chem. Phys.
151
, 034304
(2019
).[123]
E. K.
Parks
, K. P.
Kerns
, and S. J.
Riley
, Chem. Phys.
262
, 151
(2000
).[124]
M.
Riyaz
and N.
Goel
, Comput. Theor. Chem.
1130
, 107
(2018
).[125]
H.
Park
and G.
Meloni
, Chem. Phys. Chem.
19
, 256
(2018
).[126]
S.
Das
, S.
Pal
, and S.
Krishnamurty
, J. Phys. Chem. C
118
, 19869
(2014
).[127]
W.
Xue
, S.
Yin
, X. L.
Ding
, S. G.
He
, and M. F.
Ge
, J. Phys. Chem. A
113
, 5302
(2009
).[128]
H. C.
Heim
, T. M.
Bernhardt
, S. M.
Lang
, R. N.
Barnett
, and U.
Landman
, J. Phys. Chem. C
120
, 12549
(2016
).[129]
R. J.
Burford
and M. D.
Fryzuk
, Nat. Rev. Chem.
1
, 0026
(2017
).[130]
W. M.
Haynes
, CRC Handbook of Chemistry and Physics
(93rd Edn.), Francis
: Taylor
, (2012
).[131]
G.
Blyholder
, J. Phys. Chem.
68
, 2772
(1964
).[132]
D. J.
Tozer
and N. C.
Handy
, J. Chem. Phys.
109
, 10180
(1998
).
This content is only available via PDF.
© 2020 Chinese Physical Society.
2020
Chinese Physical Society
You do not currently have access to this content.
