中科院大连化物所李杲研究员团队Precis. Chem. | Tiara状镍团簇：从理论探索到催化应用的传奇之旅

近些年以来Ni基催化剂受到了广泛的关注。Ni团簇具有高比表面积、强吸附能力、高催化活性及易于重构的特点。作为研究分子吸附过程的模型系统，深入揭示Ni团簇与分子的相互作用显得尤为重要。因具有独特的结构及物理化学特性，Ni团簇对于研究催化反应过程十分关键。同时密度泛函理论结合实验结果能够深入揭示Ni团簇的电子结构稳定性及催化反应过程。

本文首先全面论述了Ni基催化剂的相关反应机理，包括密度泛函理论计算、活化能垒、电荷密度差异性等相关内容。密度泛函理论表明，Ni团簇由于自身特殊的电子结构、吸附机制及热稳定性，能够活化转化不同种类的小分子，如CO、NO、H ₂ 等，这些研究结果对于新型Ni基催化剂的设计提供了坚实的理论依据。

全文主要总结了Ni团簇在催化领域的相关应用：热催化、光催化及电催化。再次代表性的列举三个例子进行说明。

（1）光催化应用：

Ni ₆ 团簇能够负载并均匀分散于g-C ₃ N ₄ 载体表面，TEM结果表明，负载后的Ni基团簇并没有发生明显的结构改变，EDS分析进一步证实了复合物结构的形成及元素分散的均一性。进一步研究表明，将Ni ₆ 负载于TiO ₂ 表面能够显著提高其光催化产氢的性能。

图一、Ni6团簇的结构及光催化性能研究

（2）热催化应用：

粒径分散在1.2至2.7纳米的Ni团簇能够负载于介孔酸性分子筛表面形成NiNC@Mes-HZ催化剂。550 °C高温处理能够有效去除制备过程中引入的S、C元素。在催化DTO反应过程中，0.11NiNC@Mes-HZ催化剂对于C5-11产物的选择性达到了66.4%，优于HZSM-5催化剂。

图二、NiNC@Mes-HZ催化剂的Ni纳米簇粒径分布及DTO催化反应结果

（3）电催化应用：

FeNi@IL纳米颗粒平均粒径约为2 nm，在高分辨透射电子显微镜下仍然无法观测到晶格条纹的存在，XRD谱图进一步证实了其无定形结构。在电催化产氧反应中，催化剂活性顺序为：FeNi@IL/C < FeCo@IL/C < CoNi < Co < Fe < Ni。

图三、FeNi@IL纳米颗粒的表征及M@IL/C催化剂电催化产氧反应活性测试

结合Ni基催化剂理论计算及实验的研究结果，为本领域未来的研究方向揭示了一些相关的可能性。为了深入揭示催化反应机理、为Ni基催化剂的设计合成提供科学依据，同时扩展Ni基催化剂的应用，仍然存在大量具有挑战性的重点难点。

相关论文发表在 Precision Chemistry 上，中科院大连化学物理研究所博士生 Sanwal 为文章的第一作者， 李杲 研究员为通讯作者。

李杲 研究员

李杲 , 中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。2011年于上海交通大学取得博士学位后，同年赴卡内基梅隆大学Prof.Jin课题组开展博士后研究。2014年加入中国科学院大连化物所催化基础国家重点实验室，主要从事于小尺寸金属原子簇的设计合成和催化活性研究。获得“国家人才计划”“所百人”，国家自然基金（面上）等项目支持。在 Chem.Rev.，Nat.Commu.，Acc.Chem.Res.， Angew.Chem.，JACS，ACS Catal 等国际期刊发表论文近二百篇。h-index 55，论文总被引1万2千余次，单篇最高被引用超千次。