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仪表网 研发快讯】近日，中国科学院大连化学物理研究所化学反应动力学全国重点实验室团簇光谱与动力学研究组(2506组)江凌研究员、谢华研究员团队利用自主研制的质谱-光电子能谱实验方法，研究了金属碳化物团簇MC3-(M = Os,Ir,Pt)的固氮模式，揭示了直接裂解N≡N三键与化学吸附双重固氮模式的竞争机制，为开发高效固氮催化剂和单原子材料提供了新思路。
氮气分子由于其极强的N≡N三键(键能约为9.79 eV)，在温和条件下难以被活化。当前，工业固氮依赖Haber-Bosch法，需在高温高压下进行，能耗巨大。金属碳化物作为一类高潜力的催化材料，因其反应机制尚不明确，其实际应用长期受限。本项研究通过质谱-光电子能谱实验方法与量子化学计算方法相结合，阐明了金属碳化物团簇与氮气的反应路径，揭示了金属碳化物活化氮气的两种重要竞争机制。
江凌和谢华研究团队长期致力于金属团簇与资源小分子(例如N2、CO等)的成键和反应机制的研究。在前期相关研究(J. Phys. Chem. Lett.，2024；Angew. Chem. Int. Ed.，2023；JACS Au，2023；Inorg. Chem.，2023；J. Phys. Chem. Lett.，2022；J. Energy Chem.，2021)的基础上，本工作中团队采用激光溅射团簇源的方式产生了MC3N2− (M= Os,Ir,Pt)负离子，并获得其丰富的电子结构信息。研究发现，IrC3?可同时通过裂解和吸附的两种机制活化氮气，OsC3?更偏好于直接断裂N≡N键生成C-N键， 而PtC3?则倾向化学吸附。理论计算进一步表明，金属5d轨道能量是决定反应活化路径的关键因素：5d轨道能量越高，越易触发N≡N键断裂；反之则化学吸附占主导。这一规律与实验结果高度吻合，为定向设计金属中心活性位点提供了量化依据。该研究不仅在原子尺度揭示了金属碳化物的反应特性，也为开发具有孤立贵金属中心的单原子催化剂提供了新的策略。
相关研究成果以“Observation of competing nitrogen activation in metal tricarbon anions MC3– (M= Os,Ir,Pt)”为题，发表在《化学科学》(Chemical Science)上。该工作的共同第一作者是我所2506组已毕业的联合培养硕士杜世虎和张子恒。该工作得到科技部科技创新2030-重大项目、国家自然科学基金、中国科学院青促会、我所创新基金等项目的资助。
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