近日♕💁🏻‍♀️，北理工化學與化工學院馬嘉璧副教授團隊通過質譜實驗和高精度量子化學計算對N₂與NbB₃O₂⁻氣相團簇的反應性及團簇結構進行了深入研究，成功構造了具有雙活性位點的🙅🏿‍♂️、含單個前過渡金屬原子的N₂催化劑🧑🏿‍🚒😇，實現了室溫下對N₂的活化轉化，其活化模式是金屬—配體活化（Metal-Ligand Activation，MLA）。相關意昂3平台以“Nitrogen Activation and Transformation on Monometallic Niobium Boron Oxide Cluster Anions at Room Temperature: A Dual-Site Mechanism”為題🟪，發表在國際權威期刊《The Journal of Physical Chemistry Letters》(2021, 12, 6313-6319)🀄️。化學與化工學院博士生王明為該論文的第一作者，我校的馬嘉璧副教授為論文的通訊作者🧑🏽‍🎨。

由於氮氣分子的高穩定性，室溫下實現N₂的活化轉化極具挑戰。目前對氣相含金屬離子介導的N₂活化和轉化的文獻報道中🦹🏿‍♂️，大多是關於第VIII族金屬元素（如Fe📹，Ni，Ru等）的應用🕵️，且其活性位點大部分是多核金屬離子，而關於前過渡金屬的報道較少🧘🏻‍♀️。2019年，馬嘉璧老師團隊發現具有活性位點為2個和3個Ta原子的Ta₃N₃H⁻和Ta₃N₃⁻團簇可以完全活化N₂分子，並生成吸附產物Ta₃N₅H⁻和Ta₃N₅⁻（ J. Am. Chem. Soc.  2019,  141 , 12592-12600）。在此基礎上，2021年，該團隊提出了金屬-配體活化（MLA）模式，實現了室溫下由NbH₂⁻團簇直接偶聯N₂和CO₂分子的反應，實現了由N₂和CO₂製備C−N鍵（ J. Phys. Chem. Lett.  2021,  12 , 3490-3496）📥🚴🏼。但尚未實現催化循環🤹。

圖1. NbB₃O₂⁻陰離子團簇催化轉化N₂循環示意圖

在國家自然科學基金委重大研究計劃的支持下🕣，我校化學與化工學院馬嘉璧副教授團隊在前期的研究基礎上，利用質譜結合量化計算設計合成了單金屬陰離子NbB₃O₂⁻團簇，其在室溫下可以高效轉化N₂生成兩種含氮產物B₃N₂O⁻/NbO和B₃N₂O₂⁻/Nb。在該反應體系中♘，Nb原子作為N₂的吸附位點👨🏻‍🍼；B原子作為N₂的電子給體，通過給出2p電子可以斷裂N≡N鍵；Nb原子和B₃O₂單元作為雙活性意昂3🤍🤹🏼‍♀️，通過二者的協同作用完成了被活化的N原子的高效轉移。之後DFT理論計算表明：NbO和Nb中性團簇可分別與B₃O⁻和B₃O₂⁻陰離子繼續反應生成NbB₃O₂⁻陰離子，實現反應的催化循環。該設計思路通過引入主族元素B構成第二活性位👏©️，構造出具有雙活性位點（Nb原子和B₃O₂單元）的單金屬團簇離子🧑🏽‍🎓，實現高效催化N₂轉化成含氮產物，其催化機理同樣適用於之前提到的MLA模型，為室溫下利用前過渡金屬構造氮氣轉化的單金屬催化劑開辟了新思路。

論文相關鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c01633