青岛能源所利用质谱技术研究铜纳米团簇配体效应获得进展

金属纳米团簇是一类由几个到数百个金属原子组成，尺寸一般小于2 nm的新型无机材料。纳米团簇确定的组成和结构、高的比表面以及不饱和配位点，使其成为一种在原子/分子水平研究催化反应构效关系的理想模型。铜团簇(Cu NCs)由于较低的成本和丰富的自然储量，在实际应用中具有广阔的前景。然而，Cu NCs生长机制的不确定性和结晶过程的复杂性阻碍了对其特性的深入理解和开发。特别是，配体效应对Cu NCs的结构和性质具有重要影响，然而其在原子/分子水平上的调控机制仍然不清楚。
 
　　前期孙晓岩研究员带领的团簇化学与能源催化研究组利用基于质谱技术的离子-分子反应方法，探究了高价态铁氧物种活化甲烷的本证活性并揭示了其生成甲二醇的微观机理(J. Phys. Chem. Lett. 2023, 14, 1633-1640)。受气相反应的启发，并结合质谱技术的优势，该团队将质谱应用于凝聚相团簇中，来探究配体效应对Cu NCs生长、结构、性质以及反应活性的调控规律。
 
　　研究人员通过化学还原法成功合成了三种不同配体(2-巯基苯并咪唑、2-巯基苯并噻唑和2-巯基苯并恶唑)保护的相同核数的Cu6 NCs(Cu6-1，Cu6-2和Cu6-3)，这三种仅有微小差异的配体结构为精准对比配体效应提供了良好的模型(图1)。团队首先利用实时监测质谱技术探究了配体对Cu6 NCs合成过程的影响，发现团簇的生长过程经历“尺寸聚焦-热力学平衡-氧化刻蚀”三个阶段，由于配体的作用，使得这三个过程在时间维度上出现了显著差异，因此，通过质谱对团簇尺寸聚焦过程的准确监测能够为实现多种Cu NCs的精准合成提供重要思路。针对Cu团簇难以获得晶体结构的问题，团队利用碰撞诱导解离(CID)质谱技术进一步解析和对比了三种配体对团簇结构及稳定性的影响(图2)。基于碎片离子与O2的反应，并结合密度泛函理论计算，推导出Cu团簇催化燃料电池阴极氧还原反应(ORR)的活性位点，并筛选出Cu6-3可能具有较高的ORR活性。这项工作不仅为质谱技术研究团簇的配体效应提供了基本的见解，也为凝聚相中精准设计高活性的Cu基纳米催化剂提供了重要的思路。

图1. 三种不同配体Cu6团簇的合成与表征

                                          图2. 三种不同配体Cu6团簇结构和多级质谱分析
 
　　相关工作近日发表在Small上。青岛能源所博士生张丽丽为论文第一作者，孙晓岩研究员为通讯作者。该工作得到了山东能源研究院科研创新基金和山东省自然科学基金等项目的支持。