以石墨烯为代表的二维层状材料因其独特的层内原子连接方式，表现出显著的电子离域行为，由此带来了出众的物理和化学性质。团簇具有确定的原子数与明确的结构，是一类介于原子/分子与纳米晶体之间的凝聚态物质，团簇的亚纳米尺寸使得单分子级别的作用力即可主导其自组装行为，可作为“超级原子”构建全新的亚纳米尺度低维材料体系。团簇电子结构、化学性质与原子/分子有类似性，团簇组装体作为一类“超级分子”，其中电子可能被多个团簇所共享，对于高度有序的二维团簇组装体，电子在具有相同化学环境的团簇间的离域行为，可能带来异乎寻常的电子结构和催化性质。

团簇类烯结构示意图

基于此，清华大学化学系王训课题组首次报道了一类基于多金属氧簇（POM）的新型类石墨烯材料——“团簇类烯”。与以往二维材料体系以原子、分子为结构基元不同，该团簇类烯以亚纳米尺度的团簇为结构基元，构筑了一类新型的亚纳米二维材料体系。团簇类烯对于烯烃催化环氧化反应，在催化活性和稳定性方面均显示出极大的提升，其转换频率（TOF）是未组装团簇基元的76.5倍。离散傅里叶变换（DFT）计算结果显示，团簇间的电子离域行为有效的降低了材料参与氧化还原反应的活化能，从而造成了催化活性的显著提升。13种不同元素取代的Keggin型团簇均可用于团簇类烯的构建。本研究揭示了团簇类烯材料独特的电子结构、出众的催化性质和良好的结构普适性，有望启发基于团簇的新材料的设计与合成。

该成果以“Self-assembly of polyoxometalate clusters into two-dimensional clusterphene structures featuring hexagonal pores”为题发表于《自然·化学》（Nature Chemistry），论文第一作者为清华大学化学系16级博士生刘清达，通讯作者为化学系教授王训。该研究得到国家自然科学基金委、科技部重点研发项目、科学探索奖等支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41557-022-00889-1