近日，我院洪文晶教授团队和黄加乐教授团队合作在单团簇催化反应监测及机理研究领域取得重要进展。研究团队结合单分子电学表征技术和原子级结构精确的金属团簇，在溶液条件下实现了单团簇催化剂单个活性位点尺度的原位电学表征，首次成功捕捉并识别了包括吸附、键活化、中间体形成和产物释放在内的完整催化反应序列，阐明了活性位点处微环境诱导的配位变化，并建立了局部空间位阻与催化活性之间的定量关联。相关成果以“Identification of Catalytic Sequence at a Single Active Site on a Single-Cluster Catalyst”为题，发表于Journal of the American Chemical Society（DOI: 10.1021/jacs.6c02202）。
众所周知，催化剂中不到1%的活性位点的催化活性可以在宏观水平上决定反应的结果。理解活性位点尺度上的局部配位环境和动态催化事件是精准设计高效催化剂的关键。然而，传统表征手段通常仅提供催化材料体相的平均结构信息，难以捕捉活性位点特异性的动态行为，如何在真实条件下直接观测单个活性位点处的催化反应过程，一直是该领域的重大挑战。
为此，研究团队以单分子电学表征为核心手段，结合具有特定结构的金属团簇作为催化剂，通过监测电导信号来检测反应过程和局部配位变化，在单个活性位点层面观察逐步催化事件。研究首次在单团簇催化剂上实现了对完整催化循环的原子级精确解析：从反应物分子的初始吸附到化学键的活化断裂，再到关键中间体的形成与最终产物的释放，每一步催化事件均通过实时电导特征信号被精确记录。进一步分析表明，活性位点的局部空间位阻是调控催化活性的主导因素——优化局部结构以降低空间位阻可显著提升催化效率。该工作不仅为分子水平催化机理研究建立了原位表征方法，也为高效催化材料的理性设计与构效关系优化指明了新方向。
该研究在我院洪文晶教授、黄加乐教授以及高铭滨副教授的共同指导下完成。厦门大学已毕业博士生卫彩云为论文第一作者，苏禹铭博士、朱奕轩博士、李瑞豪博士也参与了该工作。该研究工作得到了国家自然科学基金（22325303、22250003、22478322、22502071、22208337、22405103、22403036、22402065）及厦门大学校长基金（20720180064、20720240060）等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c02202
