金团簇二十面体结构融合过程中其催化活性的演变
Evolution of catalytic activity driven by structural fusion of icosahedral gold cluster cores
杨丹, 祝艳
近年来,
由有机配体保护的原子精确金属团簇在合成方面已取得了重要进展,
其独特的原子结构对一些化学反应产生独特的催化效果.
原子精确的团簇催化剂明显不同于纳米颗粒催化剂和单原子催化剂,
是一种关联均相和多相的、原子数目确定、尺寸均一、结构精确的新型催化剂.
从原子尺度上精确构筑团簇催化剂,
探究亚纳米尺度的微观结构对催化性能的影响,
为常规催化剂所未能解决的关键科学问题提供解决的机会,
为在分子尺度上揭示催化作用机制以及准确关联催化剂结构与催化性能提供新的研究体系,
具有重要的科学研究意义.
本文设计和使用了三种结构精确的金团簇催化剂,
即Au25(PPh3)10(SC2H4Ph)5Cl2,
Au38(SC2H4Ph)24和Au25(SC2H4Ph)18,
分别由二十面体结构的Au13单元通过中心顶点融合、面融合、体相融合形成的(简写为Auvf、Auff和Aubf),
详细研究了这三个金团簇催化剂在二十面体Au13单元的结构融合过程中,
其催化活性的演变规律.
在催化吡咯烷与O2反应制备γ-丁内酰胺反应中,
金团簇催化剂的催化活性顺序为Aubf
> Auff
> Auvf,
表明这三个金团簇中Au13单元的结构随着点、面、体的融合,
其催化活性随之增加.
同时研究发现,
对于同一个Au团簇催化剂,
其表面硫醇配体的烷基链越短,
其催化活性越高,
这主要是由于短链硫醇分子的空间位阻较小,
吡咯烷分子更容易进入催化剂的金表面,
接触到活性位点,
进行催化反应.
实验表明,
三个团簇金原子均带正电荷,
正价金物种可能是催化吡咯烷与O2反应的催化活化物种.
研究发现,
Aubf团簇表面的活性位数目高于Auff和Auvf团簇的,
因此Aubf的催化活性最高；
同时,
团簇表面配体的烷基链越短,
其表面活性位数目也越多,
这也进一步解释了表面硫醇配体的烷基链越短,
其相应的金团簇催化剂的催化活性越高的原因.
吡咯烷与O2在金团簇上反应的可能路径为O2在Au活性位上裂解的O原子和吡咯烷β-H转移至Au活性位的β-H反应脱水后形成亚胺,
亚胺经过水解进一步氧化得到产物.
这项研究将为在原子层次上调变金属团簇催化剂的结构进而改变其催化性能提供新的思路,
对精准设计和构筑高效催化剂具有一定的科学指导意义.
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