华北电力大学丁迅雷教授课题组与北京理工大学马嘉璧教授课题组合作研究了异核金属碳化物阴离子团簇Y_1-3CoC_1,2^–对氮气（N₂）的活化机理。由于Y和Co这两种金属位于氮还原反应（NRR）催化活性火山图的两侧，它们的结合有望获得更好的NRR催化活性。该工作使用质谱实验法在室温下观察Y-Co异核金属碳化物阴离子团簇和N₂之间的反应情况，并通过密度泛函理论（DFT）计算在分子水平上揭示了该团簇活化N2的机理，为进一步理论设计NRR催化剂提供了初步基础。

自然界中通过闪电和植物根系等方式固氮所产生的含氮化合物的总量已无法满足现代社会农业生产、制药等领域的需求，工业生产中Haber-Bosch氨合成工艺耗能高且具有潜在污染。为了减少碳排放，促进绿色可持续发展，寻找温和条件下实现NRR的高效固氮催化剂至关重要。气相团簇作为催化剂活性中心的简化模型，其相关研究可以在分子水平上揭示催化反应的微观机理。

在实验中，通过激光烧蚀Y、Co和C粉末压制的样品产生异核金属碳化物阴离子团簇，使用四极质量过滤器（QMF）分别选择出反应离子Y_1-3CoC_1,2^–，进入线性离子阱（LIT）反应器中冷却后与N₂反应，最终利用反射式飞行时间质谱仪（TOF-MS）在室温下观察反应物和产物。实验发现含有偶数个Y原子的团簇Y₂CoC_1,2^–可与N₂发生反应溅射出Co原子，而含奇数个Y原子的团簇YCoC₂^–和Y₃CoC^–仅生成N2吸附产物，YCoC^–和Y₃CoC₂^–对N₂呈惰性。

DFT计算得到了Y_1-3CoC_1,2^–的几何和电子结构及其与N₂的详细反应途径。利用反应的热力学和能垒数据，合理解释了实验现象，并进一步揭示了反应机理。因为Co原子比Y原子带有更多的负电荷，并且Co在团簇体系前线分子轨道中占有更大的比例，因此Co作为亲电反应位点优于Y，成为N₂的优先初始吸附位点。在反应路径中，包含N–N键解离和C−N键形成等重要步骤，反应能垒的高低与团簇中N/N₂和C/C₂的配位模式密切相关。态密度和前线分子轨道的分析结果表明，Y₂CoC_1,2^–的HOMO轨道可以很容易地与N₂的LUMO轨道（1π*）相互作用，促进电子从团簇中转移到N₂的1π*，从而更加利于激活N–N键。