金纳米团簇揭示了磁自旋在催化效率中的潜在作用

最近，中国科学院合肥物理科学研究所（CAS）的一组研究人员在不干扰金纳米粒子整体结构的情况下，连续移除了金纳米粒子最内层的原子和最外层的电子。这种精确的操作使他们能够探索材料的磁性自旋如何影响其催化活性

这项工作由吴志坤教授领导，CAS过程工程研究所杨教授和重庆大学唐教授合作，发表在《科学进展》杂志上

金纳米团簇——由几个到几百个金原子组成的微小颗粒——是研究原子结构如何影响材料性能的理想模型。但是，逐个原子地调整这种团簇的结构，特别是当它们相对较大和复杂时，长期以来一直是一个重大挑战

为了克服这个问题，该团队开发了一种新的合成方法，使用硫醇和碘配体的混合物来稳定一个多壳金簇：[Au127I4（TBBT）48]，其中TBBT是一种体积庞大的含硫分子。然后，通过引入额外的硫醇，他们能够温和地“拔出”结构中心的单个金原子，就像从筑巢玩偶的中间取出豌豆一样，而不会使周围的外壳坍塌。这创造了一个新的稳定星团：Au126I4（TBBT）48，它是反磁性的

此外，通过仔细氧化这种结构，研究人员创造了第三个版本：[Au126I4（TBBT）48]+，它恢复了顺磁性。实际上，该团队证明了通过连续去除一个原子和一个电子来精确改变材料磁性状态的能力——这种控制水平在纳米材料中很少实现

使用这一系列簇，研究人员能够研究磁自旋的分布如何在整个结构中变化。他们发现，随着中心原子被移除，粒子被氧化，自旋密度向外偏移。更有趣的是，自旋倾向于更多地集中在碘原子上，而不是硫原子上，这表明自旋在调节催化性能方面可以发挥重要作用

为了验证这一想法，研究小组评估了每种版本的金纳米簇在催化二氧化碳还原为一氧化碳方面的效果，这是一种对清洁能源研究越来越感兴趣的反应。反磁性版本（Au126I4）在相对较低的电压下实现了近100%的法拉第效率，优于其顺磁性版本。这一结果有力地支持了磁自旋在催化中起着重要作用的观点

“我们的发现为自旋如何影响催化行为提供了重要的见解，”吴教授说。“这可能为在原子水平上设计多功能材料开辟新的策略。”