近日，我校物理与光电学院陆洲教授课题组与校党委副书记、校长熊宇杰教授率领的碳中和团队开展联合科研攻关，通过配体工程策略构建了一系列可精准调控激发态氧化还原电势的氮杂环卡宾金纳米团簇光还原剂，在不牺牲可见光吸收能力和激发态寿命的前提下，实现了敏化光催化二氧化碳还原性能的量级提升。该重要进展以“Ligand Engineering of N-heterocyclic Carbene Au₁₃ Nanocluster as a Strong Photo-reductant for Sensitized Photocatalytic CO₂ Reduction”为题，发表于化学领域国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》（J. Am. Chem. Soc., 2026, DOI: 10.1021/jacs.6c06572）。

光敏剂的可见光吸收能力、激发态寿命和激发态氧化还原电势是决定光催化氧化还原反应效率的三个关键因素。然而，传统光敏剂在提升还原能力的同时，往往伴随可见光吸收减弱和激发态寿命缩短等副作用，难以同时满足高效光催化反应对上述三个关键指标的要求。如何在保持优异光吸收和长激发态寿命的前提下，实现激发态还原电势的精准调控，至今仍是一项重大挑战。

针对这一难题，研究团队以双齿氮杂环卡宾配体修饰的Au₁₃纳米团簇为研究对象，通过在配体上引入给电子基团（甲氧基）或吸电子基团（氟、酯基等），系统调控了团簇的电子能级。研究表明，所有氮杂环卡宾金纳米团簇均保持了优异的可见光吸收性能和微秒级激发态寿命，而激发态还原电势则成功从-1.42 V调控至-1.91 V（vs. SCE），展现出强劲的激发态电子转移驱动力和光还原能力。值得注意的是，配体修饰并未改变团簇的最高占据轨道与最低未占据轨道之间的能隙，而是使这两个轨道的能级发生同步位移。这一现象通过电化学分析、伦姆-维勒方程拟合以及密度泛函理论计算得到了系统论证。

利用这一特性，研究团队将氮杂环卡宾金纳米团簇用于敏化经典的二氧化碳还原催化剂Re(bpy)(CO)₃Cl，实现了光催化二氧化碳还原性能的量级提升。其中，甲氧基取代的团簇表现出最优性能：一氧化碳产率比未修饰团簇和氟取代团簇高出一个数量级，反应选择性超过99%，且具有优异的光稳定性。瞬态吸收光谱分析表明，甲氧基取代团簇向Re(bpy)(CO)₃Cl的电子转移速率远高于氟取代团簇，大幅提高了催化效率。同时，高效的电子转移有效抑制了电子在团簇中的累积，从而显著提升了其光稳定性。

该研究系统揭示了配体取代基对氮杂环卡宾金纳米团簇电子能级的调控机制，建立了一种在不影响光吸收和激发态寿命的前提下调控金属纳米团簇氧化还原性能的可行策略，为开发高效金属纳米团簇光敏剂、推动热力学挑战性光催化氧化还原反应提供了新思路。

论文第一作者为我校物理与光电学院博士生刘榕和青年教师卢宁教授，通讯作者为陆洲教授与熊宇杰教授，安徽师范大学为该论文的第一完成单位。上述工作得到了国家自然科学基金和安徽省高等学校年度科研计划项目等科研基金的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c06572。