这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的详细介绍：

主要作者及研究机构

该研究由Ting Zhang、Haishan Su、Xianwen Zhang、Yang Zhao、Jian Zhou、Lili Zhang、Shengfa Ye、Yuxiao Ding和Xiaoyan Sun共同完成。研究团队来自多个机构，包括中国科学院兰州化学物理研究所、青岛生物能源与过程研究所等。研究结果发表于2025年的《Journal of the American Chemical Society》（J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 12652−12663）。

学术背景

该研究的主要科学领域是催化化学，特别是苯（benzene）选择性氧化为苯酚（phenol）的催化反应。苯酚是化工生产中的重要中间体，目前全球90%的苯酚生产依赖于传统的三步法异丙苯工艺（cumene process），但该工艺存在步骤复杂、产率低以及环境问题等局限性。因此，开发一种高效、选择性强的苯酚生产方法具有重要意义。近年来，单原子催化剂（single-atom catalysts, SACs）在催化领域引起了广泛关注，但其在实际应用中仍面临质量比活性不足的挑战。为此，研究团队提出了少原子簇催化剂（few-atom cluster catalysts）作为替代方案，利用其明确的金属团簇效应和增强的原子间协同作用，优化催化性能。

研究流程

研究的主要目标是开发一种基于石墨氮化碳（graphitic carbonitride, CN）负载的铜原子簇催化剂（Cu3/CN），并探究其在苯选择性氧化为苯酚反应中的催化性能。研究流程包括以下几个步骤：

1. 催化剂合成
   研究团队首先合成了配体保护的铜簇（Cu6L6）和石墨氮化碳（CN）载体。通过将Cu6L6吸附到CN表面，并在氮气氛围下进行高温热解，最终得到了负载在CN上的铜原子簇催化剂（Cu3/CN）。铜簇的原子数约为3个，通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）分析，确认了Cu3簇的形成及其与CN框架的配位结构。

2. 催化剂表征
   研究团队采用多种表征技术对催化剂进行了详细分析。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等，确认了Cu3/CN的高分散性和结构稳定性。XAFS分析进一步揭示了Cu3簇的电子结构和配位环境，表明Cu3簇具有较高的d带中心和增强的电荷转移能力。

3. 催化性能测试
   催化剂在苯选择性氧化为苯酚的反应中进行了性能测试。结果表明，Cu3/CN的催化活性显著高于单原子催化剂Cu1/CN和纳米颗粒催化剂CuNP/CN。Cu3/CN的周转频率（TOF）达到719 h⁻¹，是Cu1/CN的2.6倍，同时苯酚选择性高达95.3%，显著优于CuNP/CN的77.2%。

4. 机理研究
   通过原位光谱监测和表面分析，研究团队发现吸附在Cu位点上的氧物种（Cu=O*）是反应的主要活性物种。密度泛函理论（DFT）计算进一步验证了Cu3簇的电子结构特征，表明其与H2O2分子之间的电荷转移显著增强了O-O键的拉伸，从而促进了Cu=O*物种的形成。此外，Cu3簇的独特结构还促进了苯分子的活化，进一步提高了催化性能。

5. 理论计算
   DFT计算揭示了Cu3簇在反应中的关键作用。Cu3簇的d带中心上移，增强了与H2O2分子的电荷转移，促进了活性氧物种的生成。此外，Cu3簇的金属性行为在苯分子活化中发挥了重要作用，显著降低了反应的能垒。

主要结果

1. 催化性能
   Cu3/CN在苯选择性氧化为苯酚的反应中表现出优异的催化活性，TOF达到719 h⁻¹，苯酚选择性为95.3%。与Cu1/CN和CuNP/CN相比，Cu3/CN的催化性能显著提升。

2. 活性物种
   通过原位光谱和表面分析，研究团队确认了Cu=O*是反应的主要活性物种。DFT计算进一步验证了Cu3簇在促进H2O2活化和苯分子活化中的关键作用。

3. 电子结构
   Cu3簇的d带中心上移，增强了与H2O2分子的电荷转移，促进了O-O键的拉伸和活性氧物种的生成。此外，Cu3簇的金属性行为显著降低了苯分子活化的能垒。

结论

该研究成功开发了一种基于石墨氮化碳负载的铜原子簇催化剂（Cu3/CN），其在苯选择性氧化为苯酚的反应中表现出优异的催化性能。Cu3/CN的高活性、高选择性以及其独特的电子结构和团簇效应，为设计高效的非贵金属催化剂提供了新的思路。该研究不仅揭示了原子簇结构在优化催化功能中的关键作用，还为烃类选择性氧化反应的高效催化剂设计提供了重要的理论依据和实验支持。

研究亮点

1. 高效催化性能
   Cu3/CN的TOF达到719 h⁻¹，苯酚选择性高达95.3%，显著优于单原子和纳米颗粒催化剂。

2. 独特的原子簇结构
   Cu3簇的明确结构和增强的原子间协同作用是其高效催化性能的关键。

3. 机理研究深入
   通过原位光谱和DFT计算，研究团队深入揭示了Cu=O*物种的形成及其在催化反应中的作用。

4. 理论指导实践
   该研究不仅提供了实验数据，还通过理论计算为催化剂设计提供了重要的理论指导。

其他有价值的内容

该研究还探讨了Cu3簇在反应中的动力学行为，揭示了其与单原子和纳米颗粒催化剂在反应路径上的差异。此外，研究团队还提出了原子簇催化剂在烃类选择性氧化反应中的广泛应用前景，为未来的催化剂设计提供了新的方向。

通过这项研究，研究团队不仅解决了苯酚生产中的关键问题，还为催化化学领域提供了新的研究思路和方法。