安徽大学，Nature Synthesis！

研究背景

在纳米簇结晶过程中，弱的超分子相互作用通常导致独立单体（零维分子节点）的形成，而强的分子间配位作用则促进纳米簇全向堆叠形成三维超结构。然而，实现二维（2D）晶体组装，例如二维网格网络，则更加具有挑战性。

为了解决这些问题，安徽大学朱满洲教授、康熙教授、朱凌云教授、重庆大学唐青研究员合作在“Nature Synthesis”期刊上发表了题为“Atomically defined two-dimensional assembled nanoclusters for Li-ion batteries”的最新论文。在本研究中，他们通过在簇基节点的外围羧基与引入的碱金属阳离子之间建立分子间相互作用，实现了原子精确金属纳米簇的二维晶体组装，形成了一种依赖碱金属和溶剂的二维晶体结构。

他们还观察到，簇间或层间的碱金属阳离子具有可移动性，使该材料能够作为阳离子“海绵”使用。簇基晶体材料的高离子迁移性使其在锂离子电池中表现为高效电解质。总体而言，这些原子精确晶体纳米簇的二维组装提供了一个用于离子传导和能量传输的多功能平台。

研究亮点

（1）实验首次实现了原子精确金属纳米簇的二维晶体组装，采用Ag₂₉(BDT)₁₂(PPh₃)₄纳米簇，通过对四个膦基顶点进行羧基化，并引入碱金属阳离子，实现簇间有序排列，得到了依赖碱金属和溶剂的二维晶体结构。该二维晶体在结构上克服了高表面能带来的平面稳定性挑战，实现了平面化的二维网格组装，开创了二维簇基晶体研究的新方向。

（2）实验通过调控簇基节点的羧基化程度、溶剂环境以及碱金属阳离子种类，观察和验证了簇间及层间阳离子的可移动性，发现该二维晶体材料表现出“阳离子海绵”特性和高离子迁移性。

（3））基于此特性，研究人员构建了簇基锂离子电池，并验证其在电解质应用中的高效性能，表明二维簇基晶体材料不仅具备稳定的结构，还可作为高性能离子传导和能量传输平台。这一研究为二维晶体组装提供了原理验证，同时为开发簇基高效电解质材料和推进锂离子电池技术提供了新的思路。

图文解读

图1.Ag₂₉纳米簇组装的二维晶体结构和基于簇的二维阳离子海绵的构建示意图

图2.基于Ag₂₉-COOLi纳米簇在MeOH中构建簇组装二维晶体结构

图3.Ag₂₉纳米团簇的二维晶体的拓扑结构

图4.Ag₂₉-COOLi和Ag₂₉-Li中Li+扩散系数的预测

图5.基于簇的晶体材料作为电解质

结论展望

本研究揭示了原子精确金属纳米簇二维晶体组装的新策略，为纳米簇在材料科学中的应用提供了重要启示。首先，通过在簇基节点引入羧基并利用碱金属阳离子实现分子间配位和静电作用，研究者成功构建了依赖碱金属和溶剂的二维晶体拓扑结构，突破了纳米簇二维组装的难题。其次，这些二维晶体中可移动的碱金属离子赋予材料高离子迁移性，使其不仅能够作为阳离子“海绵”，还表现出优异的导电性能，为电解质材料设计提供了新思路。此外，将簇基二维晶体应用于锂离子电池，验证了其在能量传输和储存中的潜力，展示了簇基材料在高性能电化学器件中的可行性。总体来看，本研究不仅为探索原子精确纳米粒子的二维拓扑结构提供了理想平台，也为未来开发高效电解质和先进储能材料奠定了科学基础，拓宽了金属纳米簇在能源材料领域的应用前景。

原文详情：

Wei, X., Huang, Z., Sun, X. et al. Atomically defined two-dimensional assembled nanoclusters for Li-ion batteries. Nat. Synth (2025). 

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