負載型金屬團簇（SMCs）異質結由于其獨特的幾何和電子結構，在有機金屬催化中具有超高活性和優異的選擇性，在現代化學工業中得到了廣泛的應用。SMCs的催化性能受金屬團簇的載體和界面配體的影響。載體的作用可以概括為防止超小金屬團簇的團聚，以及通過載體與金屬團簇之間的電子相互作用增強其催化活性和循環穩定性。界面配體則主要通過調節溶劑-配體相互作用、金屬團簇的收縮-拉伸行為、活性位點和電子密度來影響SMCs的催化性能，也可以防止催化劑失活。然而，界面配體電荷對SMCs催化性能的影響尚不清楚，這極大地阻礙了高性能SMCs催化劑的設計與開發。對此，本研究通過實驗和計算模擬結果提出了SMCs的界面電荷效應。

本研究采用石墨烯負載金納米團簇（AuNCs/rGO）作為模型催化劑，設計了正電、兩親性、負電配體修飾的AuNCs/rGO。通過調節金納米團簇（AuNCs）的前驅體氯金酸（HAuCl₄）和氧化石墨烯（GO）的比例，采用濕化學法將HAuCl₄和GO原位共同還原使AuNCs均勻分散在還原氧化石墨烯（rGO）片層上。分子動力學模擬和石英晶體微天平（QCM）吸附實驗表明正電和兩親性配體修飾的AuNCs/rGO對偶氮染料分子具有良好的吸附能力；計算模擬和實驗結果顯示氨基（-NH₃⁺）起到了關鍵作用，即氨基在提供的超高活性的同時會降低其循環穩定性。因此，將兩親性配體半胱氨酸的氨基異丁酰化獲得的N-異丁酰-半胱氨酸（NIBC），將NIBC作為配體修飾在AuNCs/rGO上，可以在保持高催化活性的同時大大提升循環穩定性。本研究從微觀分子視角提出了SMCs的界面電荷對偶氮加氫催化的影響，并提供了通過定制配體獲得高活性、高穩定性的SMCs催化劑的新思路。

圖1分子動力學模擬和QCM實驗結果

圖2正電、兩親性、負電配體修飾的AuNCs/rGO的形貌和結構表征

圖3正電、兩親性、負電配體修飾的AuNCs/rGO的催化性能和循環穩定性

圖4正電、兩親性、負電配體修飾的AuNCs/rGO催化前后的結構和形貌表征

圖5根據界面電荷效應優化配體結構后的計算模擬、QCM和材料表征

圖6根據界面電荷效應優化配體結構后的催化性能和循環穩定性

通訊作者：孫濤壘，武漢理工大學首席教授/博導，化學化工與生命科學學院院長，X馬賽學院中方執行院長；國家高層次人才計劃特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、國家高層次人才計劃科技領軍人才、國家千百萬人才工程國家級人選。長期從事材料和化學與生命科學交叉學科研究，在Nat.Biomed.Eng.、Nat.Commun.、Adv.Mater.、Angew.Chem.Int.Ed.、J. Am.Chem.Soc.等期刊發表SCI論文140余篇；授權發明專利42件（其中國際專利10件）。獲德國洪堡基金會Sofija Kovalevskaja 大獎、中國化學會-巴斯夫青年知識創新獎、湖北省自然科學一等獎。

通訊作者：高冠斌，武漢理工大學教授/博導，材料復合新技術國家重點實驗室研究員、神經退行性疾病納米醫藥湖北省重點實驗室副主任。研究方向為金納米團簇的設計制備及應用。近五年主持科研項目10項，其中國家自然科學基金項目3項；以第一/通訊作者在Natl. Sci. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Biomaterials等國際頂級期刊上發表研究論文36篇；授權發明專利5件。

通訊作者：沈雷，武漢理工大學教授/博導，化學化工與生命科學學院副院長，湖北省人才計劃入選者。研究方向是結合實驗與計算模擬，揭示大分子微觀機制，設計制備生物功能材料。主持國家自然科學基金3項；在J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、ACS Macro Lett.、Macromolecules等國際頂級期刊上發表論文60余篇，授權發明專利2件。

Gu Z, Zhang J, Zhang Z, et al. Interfacial charge effects of supported-metal-cluster heterostructures on azo hydrogenation catalyzation. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6358-7.