我院郑寿添李中课题组在团簇催化领域取得新进展

近日，福州大学化学学院李中、郑寿添课题组在团簇催化领域发表研究性文章，相关成果以“5f metal-incorporated 2D clusterphene: Enabling high-efficiency photocatalysis through continuous planar carrier migration”为题发表在Matter。

在异相催化领域，亚纳米催化剂因其充分利用的活性位点与多位点协同效应而受到广泛关注。其中，由簇单元组装而成、厚度仅为单个簇尺度的亚纳米催化剂具有显著的优势，包括高暴露的表面原子、可调的电子结构以及增强催化剂与反应物之间的界面相互作用。此外，亚纳米尺度的结构有利于促进电荷动力学过程，使光生电子-空穴对能够快速迁移至表面活性位点。这种内在的电荷分离能力不仅可以减少能量损失，还能提高表面载流子浓度。亚纳米催化剂中高度暴露的活性位点可作为高效催化中心，并通过高效电荷迁移与最大化活性位点利用的协同作用，显著提升光催化性能。其中，利用多酸团簇通过共价连接构筑的二维亚纳米网络结构表现出优异的电子离域能力。其中，团簇烯作为一种代表性结构，能够实现面内电荷传输，从而降低催化反应能垒。

锕系元素具有独特的5f电子构型和显著的自旋-轨道耦合作用，因此展现出优异的光学、电学和催化性质。例如，在可见光照射下，铀酰离子（UO₂²⁺）可以激发生成具有强氧化能力的激发态（UO₂^2+*），从而实现多种氧化反应。尽管铀基光催化剂本身具有良好的反应活性，但仍面临一些关键挑战：（1）催化剂成本较高，且回收和循环利用困难，限制了其实际应用；（2）光生空穴具有较强氧化性，容易导致催化剂自身分解或配体降解，从而引起催化失活；（3）光生电荷载流子的利用效率较低，导致其分离与传输动力学不匹配。克服这些问题的关键在于：一方面，需要在铀酰中心周围构筑能够稳定氧化还原过程的配体环境；另一方面，需要建立高效的电荷传输通道，从而进一步提升载流子的迁移能力。由于铀酰离子具有线性的O=U=O结构，相较于配位方向较为各向同性的3d/4d/4f金属离子，铀酰离子表现出明显的各向异性配位特征，其赤道位点更容易与含氧配体发生配位。多金属氧酸盐是一类典型的纳米尺度无机金属氧簇，具有丰富的氧表面，不仅表现出较强的亲核能力，还具有“电子海绵”等特征，能够实现电子的快速储存与释放。

针对上述机遇和挑战，团队设计性地将铀酰离子与平面构型的多铌氧簇{Nb₂₄O₇₂}进行组装，获得了具有类似石墨烯的二维六方网络结构，并呈现单簇尺度组装特征。该材料在烯烃氧化裂解反应中表现出优异的光催化活性。理论计算进一步揭示，UNbO团簇烯中的二维网络结构能够提供连续的载流子迁移路径，延长电子或空穴的传输距离，并促进其在整个平面内分布。该过程有助于延长载流子寿命、抑制电子-空穴复合，从而提升光催化效率。该研究为设计新型的含铀异相光催化剂提供了全新的范式。

福州大学化学学院2023级博士生刘乙鑫，2025级博士生贾蕾为论文共同第一作者；福州大学化学学院李中副研究员、福州大学化学学院郑寿添教授、清华大学王训教授为论文共同通讯作者，福州大学为第一通讯单位。相关研究得到国家自然科学基金面上项目的资助。感谢福州大学岳会锋教授为本研究做出的重要贡献。