北理工團(tuán)隊(duì)在氣相鑭系金屬團(tuán)簇轉(zhuǎn)化CO2研究中取得重要突破
發(fā)布日期：2026-04-17 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院馬嘉璧教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在氣相鑭系金屬團(tuán)簇活化轉(zhuǎn)化CO2研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并合成了含鑭系金屬鐠的陰離子團(tuán)簇PrB2C2-，揭示了其σ和π雙重芳香性，并在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了氣相中CO2到C3新型物種的高效偶聯(lián)轉(zhuǎn)化。相關(guān)成果以“Room-Temperature Gas-Phase CO2-to-C3 Coupling by a 4f -Aromatic Cluster”為題，發(fā)表于化學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Angewandte Chemie International Edition》。北京理工大學(xué)馬嘉璧教授、河南科技大學(xué)邢利利教授和明尼蘇達(dá)大學(xué)Donald G. Truhlar教授為共同通訊作者，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院2022級(jí)博士研究生張鳳翔為論文第一作者。研究過(guò)程中，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)化學(xué)研究所何圣貴研究員在光電子能譜表征方面提供了重要支持。
與生成C1和C2產(chǎn)物（如一氧化碳、乙醇等）相比，將CO2轉(zhuǎn)化為更高能量密度的C3+產(chǎn)物面臨更大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)催化體系的主要瓶頸包括：反應(yīng)路徑之間的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致產(chǎn)物選擇性低；*CO中間體易于脫附，不利于C?C偶聯(lián)；以及多金屬活性位點(diǎn)的引入增加了催化劑設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。因此，開(kāi)發(fā)新型、高效的C?C偶聯(lián)策略至關(guān)重要。值得注意的是，目前氣相團(tuán)簇研究領(lǐng)域，針對(duì)鑭系金屬團(tuán)簇反應(yīng)性的探索仍然有限，且僅有少數(shù)報(bào)道局限于C2產(chǎn)物的生成，而對(duì)具有芳香性的鑭系團(tuán)簇研究尤為缺乏。
針對(duì)上述難題，馬嘉璧團(tuán)隊(duì)利用自主搭建的原子-分子簇原位反應(yīng)裝置，結(jié)合飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)設(shè)計(jì)合成了含鑭系金屬的PrB2C2-陰離子團(tuán)簇，通過(guò)氣相團(tuán)簇反應(yīng)活性研究發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)簇具有獨(dú)特的反應(yīng)性，可將CO2直接轉(zhuǎn)化為具有C?C?C骨架的多碳產(chǎn)物（C3B2O2-），率先實(shí)現(xiàn)了CO2向C3物種的氣相轉(zhuǎn)化。光電子能譜結(jié)果表明PrB2C2-團(tuán)簇不含C?C鍵。結(jié)合理論計(jì)算揭示了由Pr的電子水庫(kù)功能與硼的親核特征協(xié)同驅(qū)動(dòng)的兩次C?C偶聯(lián)機(jī)理，有效抑制了中間體CO的釋放而有利于C3產(chǎn)物的生成。本研究為鑭系金屬團(tuán)簇驅(qū)動(dòng)C?C鍵合成開(kāi)辟了新思路并拓展了其在CO2轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用潛力。
Scheme 1. PrB2C2-陰離子團(tuán)簇的芳香性和反應(yīng)性研究。
圖1. PrB2C2-陰離子團(tuán)簇的飛行時(shí)間質(zhì)譜圖。質(zhì)量選擇的PrB2C2-與（a）He，（b和c）CO2以及（d）C18O2反應(yīng)的飛行時(shí)間質(zhì)譜圖。反應(yīng)時(shí)間約為0.6 ms，反應(yīng)氣的有效壓力已在圖中標(biāo)注。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.6756333
附通訊作者簡(jiǎn)介：
馬嘉璧，北京理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家級(jí)青年人才。圍繞過(guò)渡金屬氮、氧化物團(tuán)簇結(jié)構(gòu)及反應(yīng)活性，N2、CO2、碳?xì)浠锏确€(wěn)定分子的（催化）活化和轉(zhuǎn)化取得了一系列成果。迄今為止，以第一作者或通訊作者發(fā)表Science、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等70余篇文章。主持國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金等。受邀擔(dān)任Chin. Chem. Lett.（中國(guó)化學(xué)快報(bào)）青年編委。
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