Quantitative Relationships between Lewis Acidity and Catalytic Activity in Atomically Precise Copper Nanoclusters

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作者
Jian Hou,Dongjie Zuo,Zhimin Chen,Lu Qiao,Huifang Guo,Rong Huo,Simin Li,zhenlang Xie,Li Li,Zhe Yang,Yujie Zhang,Xuekun Gong,Qingyuan Wu,Qing Tang,Hui Shen,Nanfeng Zheng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (20): 20786-20797 被引量:4
标识
DOI:10.1021/jacs.6c00069
摘要

Atomically precise metal nanoclusters (APMNCs) provide an ideal platform for investigating structure–activity relationships (SARs) in catalysis. Although significant progress has been made in elucidating SARs, the development of quantitative structure–activity relationships (QSARs) in cluster catalysis─particularly those incorporating fundamental physicochemical descriptors such as Lewis acidity (LA)─remains limited and mechanistically unclear. To address this gap, we synthesized a tailored series of isostructural [X@Cu 14 (C 24 H 27 P) 4 (SCH 2 C 6 H 4 R) 12 ] nanoclusters (R = OMe, CH 3, H, Cl, F). Critically, this series enables exclusive modulation of LA via ligand electronic effects while maintaining identical core geometry and surface structure. Through combined experimental measurements and density functional theory (DFT) calculations of electrocatalytic hydrogen evolution reaction (HER) performance, a strong correlation within this series between LA and catalytic activity was established. A smaller LA promotes more efficient electron donation to the adsorbed hydrogen species, which lowers the reaction energy barrier and enhances HER activity. Based on this established correlation, the top-performing catalyst of [X@Cu 14 (C 24 H 27 P) 4 (SCH 2 C 6 H 4 OMe) 12 ] was further optimized, enabling the design of an integrated photovoltaic-electrolysis system for water splitting. This work not only establishes LA as a meaningful electronic descriptor for nanocluster catalyst design but also demonstrates the pioneering application of APMNCs in establishing QSARs for nanocatalysis.
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