7873_8171集群（注1）（超原子（注2））发现了一种称为“超原子层”的二维片状粘合材料，并阐明了其结构特征、电子结构和催化活性。限制在纳米空间中的单层 (纳米丝带(注3))，我们将原子排列可视化并成功确定了结构。此外，对在基底上合成的层状材料的薄样品的催化活性的评估表明，它对氢生成反应表现出高催化活性。这项研究的结果有望为开发高效制氢催化剂的材料设计提供指导。该研究成果于2024年7月26日发表在德国科学期刊《先进材料”将在网络突发新闻版发布。
自从石墨烯这种单层石墨被发现以来，单层到多层的各种层状材料被剥离出来，并陆续挖掘出表现出三维材料所没有的光学特性和电子传输特性的二维材料“原子层”。虽然自上而下的研究正在通过剥离层状材料来合成二维材料，但自下而上的研究也正在蓬勃发展，旨在通过连接有机分子和纳米颗粒来创造新的二维材料。过渡金属硫属化物（注4）簇由于其结构和组成的多样性以及高度对称的分子骨架而有望作为各种二维材料的构建块。过渡金属硫属化物簇具有与原子相似的电子结构，也被称为超原子，以它们为构成单元的三维聚集体已经被研究了半个世纪。其中，立方体形状的M4X4团簇（M：过渡金属，X：硫族元素）形成立方晶格和笼（包合物）等三维聚集体，并根据成分和排列结构表现出铁磁性和超导性等特性（图1）。由于独特的二维排列结构和分子间相互作用，此类团簇以片状方式排列的“超原子层”有望产生在单个超原子中看不到的特性。然而，M4X4将团簇排列成片状并不容易，迄今为止还没有合成超原子层的例子。
图1(a)立方形超原子Mo4S4簇和（b）先前研究中报告的三维聚合模型图。
在这项研究中，我们将开发一种利用纳米空间的独特方法模板反应（注 5）作者：Mo4S4超原子层，簇排列成片状 (Mo8S8Cl11)已成功合成（图2）。研究小组发现，通过氯化钼和硫蒸气在碳纳米管内部空间发生反应，Mo4S4我们发现超原子层生长，其中超原子通过 Cl 原子键合。通过在直径数纳米的一维纳米空间中发生化学反应，获得缺陷和无序较少的Mo8S8Cl11形式。当用透射电子显微镜观察该单层时，发现Mo4S4据揭示，由簇组成的六方密堆积片具有双层结构，其中顶部和底部通过一层 Cl 原子结合在一起（图 3）。采用低变形的双层结构，即使是片状也能稳定存在。
研究小组还发现，这种超原子层存在于基板上生长的几微米尺寸的层状材料中。通过使用透射电子显微镜观察单层、多层以及从该层状材料剥离的层状材料的横截面，我们发现Mo8S8Cl11形成片材（图4）。理论计算中，Mo8S8Cl11是一种对压缩和拉伸应变敏感的半导体，有人认为它可以在轻微的应力下发光。此外，当我们研究薄样品表面的催化活性时，我们发现二硫化钼（MoS）是一种有前途的制氢催化剂。2)表现出更高的活性。
图2 超原子层“Mo8S8Cl11'' 模型图。 <001>、<120> 和 <100> 是 Mo8S8Cl11时的数组。
图3(a)在碳纳米管内部空间生长的Mo8S8Cl11纳米带模型图和（b，c）透射电子显微照片。类似于模型图的结构稳定存在。
图4(a)多层Mo从层状材料上剥离8S8Cl11片材和(b)在基材上生长的层状材料的横截面的透射电子显微照片。
*原论文“立方钼超原子层”的部分内容4S4Cl Cross-Linking Connected Clusters Connected by Cl Cross-Linking”]。
在本研究中，立方Mo4S4我们在世界上第一个实现了团簇以片状排列的超原子层，通过使用透射电子显微镜的直接观察阐明了原子排列，并证明其对氢生成反应表现出高催化活性。未来，如果开发出结构控制和大面积合成技术并阐明催化反应机理，预计将有助于建立合理的材料设计指南，以提高制氢反应的催化效率。此外，过渡金属硫族化物团簇是一组具有多种结构和组成的物质，很可能利用类似的合成方法实现多种超原子层，这有望为探索各种物理性质和功能的出现提供研究基础。
（标题）立方 Mo 的超原子层4S4通过 Cl 交联连接的簇
（作者姓名）Yusuke Nakanishi、* Naoyuki Kanda、Motoki Aizaki、Kaito Hirata、Yasufumi Takahashi、Takahiko Endo、Yung-Chang Lin、Ryosuke Senga、Kazu Suenaga、Shinobu Aoyagi、Mina Maruyama、Yanlin Taka、Susumu Okada、Yasumitsu Miyata 和 Cheng Liu*
*通讯作者
（杂志名称）先进材料
(DOI)101002/adma202404249
这项研究得到日本科学技术振兴机构 (JST) 战略创意研究促进项目 CREST“JPMJCR20B1、JPMJCR23A4”、PRESTO“JPMJPR23H5”、ACT-X“JPMJAX23DH”、新兴研究支持项目“JPMJFR203K、JPMJFR213X”、日本学术振兴会的支持科学研究补助金“JP23H01807、JP24H00044、JP24K17708、JP24H01189、JP24H00478、JP22H05478、JP23H00277、JP21H05235、JP21K14484、 JP21H05233、JP21H05232、JP21H05234、JP22H00283、JP22H04957”、日本文部科学省世界顶级研究中心计划（WPI）和东京都立大学青年研究人员选拔研究支持。