徐维林:单分子纳米催化技术“照亮”金原子团簇催化机理

chengxu

金，由于其化学惰性和难于高分散，一直被认为是惰性催化剂。至上世纪80年代后期，M. Haruta发现负载型的金纳米粒子催化剂具有催化CO氧化的活性，从此发现金的催化活性体现出强烈的尺寸依赖性：当进一步缩小金纳米粒子的尺寸得到由有限个金原子组成的纳米团簇时，其更是体现出特异性的催化能力。那么，对于金团簇与金纳米粒子，他们之间的催化动力学存在着哪些异同呢？

针对该基础科学问题，中科院长春应化所徐维林课题组基于新加坡国立大学谢建平课题组提供的一系列含有不同精准原子个数的金原子团簇，采用单分子单纳米粒子荧光显微技术对单个金原子团簇上的反应过程进行了微观层面的解析，发现对于不同原子数的原子簇催化剂，其活性差异很大，体现在不同大小的金团簇上有不同的催化机理反应物/产物吸脱附能力。该团队利用纳米金催化盐酸羟胺还原Resazurin的反应，对Au15(MPA)13、Au18(MPA)15、Au25(MPA)18单粒子催化动力学信息进行了详细解析。结果发现，对于Au15(MPA)13原子团簇，其催化过程呈现出竞争性的Langmiur–Hinselwood机理，即随着底物浓度增加，反应速率出现一个峰值。而对于Au18(MPA)15和Au25(MPA)18，像常规大的纳米粒子一样，其催化呈现出非竞争性的Langmiur–Hinselwood机理，即反应速率随着底物增加逐渐达到饱和值。研究团队进一步发现，这种几个原子导致的巨大催化特性差异可归属为金原子团簇独有的量子尺寸效应。

该工作首次实现了单个原子团簇的催化动力学研究，大大拓展了单分子单纳米粒子荧光显微技术的应用领域。其所揭示的单原子簇催化行为与单纳米粒子催化行为的异同对于加深理解和指导纳米催化剂的合成具有重要意义。

这一成果近期发表在PNAS上，该工作第一单位为长春应化所，文章的第一作者是张玉微教授（现就职广州大学）和宋平副研究员（长春应化所）。

该论文作者为：Yuwei Zhang#， Ping Song#，Tiankai Chen, Xiaodong Liu, Tao Chen, Zhemin Wu, Yong Wang, Jianping Xie*, Weilin Xu*

Unique size-dependent nanocatalysis revealed at the single atomically precise gold cluster level

PNAS, 2018, 115, 10588-10593, DOI: 10.1073/pnas.1805711115