山西大学在团簇化学与理论催化领域取得系列重要研究成果

从宏观走向微观、从定性走向定量、从单一学科走向多学科交叉是人工智能时代化学发展的必然趋势。山西大学分子科学研究所团簇化学与理论催化团队长期致力于理论计算与合成表征结合研究，在分子、原子和电子水平揭示新颖团簇结构成键规律及重要化工过程催化机理，与国内外同行精诚合作，近年来取得系列重要学术成果，相继发表于《自然》(Nature)、《科学》(Science)、《自然-化学》(Nature Chemistry)、《自然-合成》(Nature Synthesis)、《自然-催化》(Nature Catalysis)、《美国国家科学院院报》(PNAS）及《美国化学会志》（JACS）等国际高水平学术期刊。

团簇化学：探索新颖结构与成键规律，指导新材料设计合成

1985年以来，基于元素碳的完美足球状富勒烯C60、层状石墨烯及单璧碳纳米管的相继发现形成现代纳米科学的基础。硼在元素周期表中与碳近邻，二者结构与成键体现一定的相似性和显著差异性。硼基纳米材料因其独特的结构、成键与性质近年来引起学术界广泛关注。2025年11月，本团队陈强副教授、李思殿教授与美国布朗大学Lai-Sheng Wang教授、复旦大学刘智攀教授及同济大学韦广丰副教授等合作，发现在室温条件飞行时间质谱中，硼阴离子团簇Bn–在n = 10⁓68尺寸范围内仅B46–和B56–与C2H4和CO发生化学吸附，其中B56–表现出对温室气体CO2特有的化学吸附与活化转化能力；结合光电子能谱实验、广泛的全局极小结构搜索及严格的第一性原理理论计算，进一步确认B46–具有B2@B44–核壳状全局能量极小结构，其中B2哑铃型单元内嵌于B44封闭笼中，体现与高压体相γ-B28中填隙B2哑铃单元类似的成键行为；而B56–的全局能量极小及次稳定异构体均呈（B12@h-B44–）雀巢状结构，其中B12 二十面体单元内嵌于B44半壳层中，是迄今为止实验发现的首个包含B12二十面体结构单元的硼纳米团簇。核壳状B2@B44–及雀巢状B12@B44–的发现揭示了硼纳米团簇二维到三维的结构转变及体相硼结构特征的出现。相关研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS, 2025, 122, e2510702122）。山西大学陈强副教授、布朗大学Hyun Wook Choi博士以及同济大学韦广丰副教授为论文共同第一作者；复旦大学刘智攀教授，山西大学李思殿教授和布朗大学Lai-Sheng Wang教授为论文通讯作者。山西大学博士研究生原睿楠、张琴玮、阎巧巧、赵小妮、高彩月、牛虹、魏锐及山西能源学院马媛媛博士等参加了本工作的实验与理论研究。

2024年11月，基于课题组自主搭建的气相团簇反应性研究实验装置，陈强副教授和李思殿教授与中国科学院化学研究所何圣贵研究员、北京理工大学李晓娜教授等合作，实验发现系列新颖准平面羰基硼芳香性化合物B13(CO)n+ (n = 1-7)和B12(CO)n (n = 1-7)，首次提出硼是类过渡金属元素的概念（J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 31464–31471）。山西大学博士研究生原睿楠为论文第一作者。

完美足球状富勒烯C60发现四十年来，研究者们一直在追求全金属富勒烯的宏量制备和结构表征。本团队田文娟讲师与南开大学孙忠明教授实验团队合作，近年来在全金属富勒烯研究领域取得多项重要突破。2023年首次采用Zintl离子合成策略宏量制备并表征了具有阿基米德多面体构型的金属富勒烯化合物[K@Au12Sb20]5，发现目前结构及成键模式最接近于富勒烯C60的核壳状纯无机化合物。该全金属富勒烯具有超原子特性和球形芳香性，突破了有机与无机化学之间的界限，相关成果发表于《科学》（Science, 2023, 382, 840-843）。 2024-2025年间，通过Zintl离子合成路线成功分离并表征了含平面Cr5基团的阴离子簇[Cr5Sn2Sb20]4-和[(Cr5)2Sn6Sb30]6-，填补了Crn（n>3）平面构型簇合物的研究空白。该研究拓展了铬簇化学的研究范围，为理解金属-金属键作用提供了新模型，为设计具有特定自旋态的同构顺磁簇合物奠定了基础，成果发表于《自然-合成》（Nature Synthesis, 2025, 4, 471−478）。对十四族和十五族金属的单元以及多元团簇展开的系统性探究，则揭示了系列新颖结构的成键本质和稳定化机制（J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 15473−15478；J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 27977−27982；J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 9407−9414；J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 36530−36538；J. Am. Chem. Soc., 2025, doi.org/10.1021/jacs.5c18030）

理论催化：阐明反应机理与指导催化剂设计

理论与实验结合是在原子和分子水平上揭示化学催化过程微观机制的有效途径。本团队卫智虹讲师聚焦分子催化体系理论研究，通过与国内外实验团队密切合作，在多个重要催化过程的反应机制研究方面取得重要成果。2024年，作为论文共同第一作者，与兰州化物所研究员何林研究员团队与武汉大学教授雷爱文教授团队合作提出“同步识别策略”，成功利用一氧化碳或二氧化碳替代剧毒光气高效合成含氮羰基化合物非对称脲，相关成果发表于《科学》（Science, 2024, 386, 776−782）。与清华大学刘强教授团队、复旦大学麻生明院士及南方科技大学陶丽芝副教授团队合作，实现了具有“多重金属-配体协同”作用的新型钳形钴配合物催化的多取代联烯选择性发散式半氢化反应，成功解决了该领域长期存在的选择性控制难题，成果发表于《自然-化学》（Nature Chemistry, 2025, 17, 1469−1479），清华大学博士生荣先乐和山西大学硕士生任云娟为论文共同第一作者。与西北工业大学张健教授团队共同揭示了无金属2-巯基咪唑阴离子催化乙炔选择性半加氢的反应机理，发现咪唑衍生物的乙烯分电流密度与其吡啶氮负电荷密度呈现火山图关系，成果发表于《自然-化学》（Nature Chemistry, 2024, 16, 893−900）。与德国莱布尼兹催化研究所合作，通过理论计算阐明了甲酸甲酯作为高效氢载体的脱氢反应机制，确定了关键活性中间体与反应机理，相关合作成果发表于《自然-催化》（Nature Catalysis, 2023, 6, 543−550）。

本团队田欣欣副教授与中国石油大学、德国莱布尼兹催化研究所及德国卡尔斯鲁厄理工学院实验团队多方合作，结合实验观测与第一性原理理论计算，研究了分子筛负载金属Zn高效丙烷脱氢催化剂（ZnOx/S-1）的原位制备、表征及反应机理。理论计算从分子层面揭示了该催化剂制备过程中原位生成的双核Zn-oxo是重要的活性物种，而不是之前人们寄予厚望的单原子型位点。该研究基于分子筛羟基窝和原位预处理/反应构筑高效非贵金属基催化剂，不仅从分子层次阐明丙烷脱氢活性位的形成与作用机制，还为高效催化剂理性设计提供了新思路，成果发表于《自然》（Nature, 2021, 599, 234−238）。田欣欣副教授与山西大学杨恒权教授、邹后兵教授实验团队合作，提出Pickering乳滴液-液界面调控Pd催化剂表面分子吸附新策略，实现卤代硝基芳烃加氢反应选择性的有效调控。实验结合理论计算研究表明，乳液界面形成了有机溶剂和水分子共存的界面微环境，通过溶剂化效应和界面氢键相互作用，可改变反应物和产物分子在Pd催化剂表面的吸附构象，使得乳液界面内层金属纳米颗粒表现出较高的选择性。若进一步添加极性芳烃小尺寸有机配体，可形成独特的水介导金属-有机分子阵列，这一界面空间结构可以在不明显影响传质扩散的同时，有效调控反应物和产物分子的吸附构象，进而调控反应选择性 (J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 5984−5995；J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 2511−2522)。

长期以来，本团队坚持理论与实验密切结合研究范式，揭示了多个新颖团簇体系的结构与成键本质，为理解和设计高效催化体系提供了重要科学依据。这些研究成果为将“理论+实验”深度融合研究范式拓展至更为广泛的材料和催化体系奠定了基础，同时也为山西大学化学学科在人工智能AI-化学领域的特色发展开拓了道路。（通讯员：张颖）