60年代初期，卢嘉锡在创办福建物质结构研究所的同时，组织和领导过渡金属络合物和一些簇合物、硫氮系原子簇化合物以及新技术晶体、材料等方面的研究，并取得了一些可喜成果。
70年代以后，他在组织和参加我国化学模拟生物固氮研究并取得重要理论成果的基础上，以这项重大研究工作为契机发展我国原子簇化学。1978年，基于他对国际上化学前沿领域发展的敏锐洞察力，同时也由于从事化学模拟生物固氮研究所取得的成果和经验以及早期在硫氮原子簇化合物方面的科研实践，他在国内最早倡导开展过渡金属原子簇化合物研究，并抓住这一方向进行了深入系统的工作。以卢嘉锡为首的研究集体在合成和表征了２００多种新型簇合物的基础上总结和发现的两个重要规律，即“活性元件组装”和“类芳香性”，受到美、英、日、德、法、苏等几十个国家同行专家的重视，对国际原子簇化学的发展产生了深远影响。
此外，在卢嘉锡指导下的福建物质结构研究所，与中国科学院生物物理研究所和上海有机化学研究所合作完成了天花粉蛋白空间结构测定，建立了国际上第一个核糖共活蛋白的分子模型。
长期以来，卢嘉锡在领导福建物质结构研究所和发展我国结构化学的实践中，逐渐形成了独特而系统的科研指导思想，这就是“五重双结合”：实验与理论相结合（以实验为主），化学与物理相结合（以化学为主），结构与性能相结合（以结构为主），静态与动态相结合（以静态为主），基础与应用相结合（以基础为主）；“四个一些”：看远一些，走前一些，搞深一些，想宽一些；“三个立足”：立足改革，立足竞争，立足创新。这些指导思想在推动福建物质结构研究所科研工作的迅速发展和形成自家特色方面发挥了重要作用。
开拓中国原子簇化学研究领域取得一生中最为突出的学术成就
原子簇化学特别是过渡金属原子簇化合物是７０年代以来国际上十分活跃的一个领域，人们从对固氮酶的研究中比较一致地认识到其固氮活性中心很可能是由Ｍｏ、Ｆｅ、Ｓ三种原子组成的原子簇，从而对原子簇化合物及其可能存在的生物活性更感兴趣。同时，这类新型化合物中存在着同核或异核的金属—金属之间的相互作用，从而具有应用于催化过程的前景。此外，对这类含有金属—金属键化合物的研究，有可能加深人们对化学键本质的认识。１９７８年，卢嘉锡在中国化学会年会上发表了《原子簇化合物的结构化学》的论文，对国内这个领域的研究起了推动作用。他在化学模拟生物固氮和过渡金属原子簇化合物研究方面所取得的主要成就如下：
１．提出固氮酶活性中心的结构模型
化学模拟生物固氮是６０年代以后迅速发展起来的前沿课题，固氮酶活性中心的结构探秘和化学模拟是一项异常复杂而艰巨的工作，它的最后成功很可能促使生命科学取得重大突破，因而各国化学家一直在进行着不懈的努力。
卢嘉锡从结构化学角度出发，分析了双氮分子的异常惰性，以及加强氮分子络合活化的结构问题，提出了络合活化氮分子的必要条件为：
（１）侧基加端基络合；（２）多核原子簇；（３）具有可变交替氧化态；（４）有一个合适的空间结构。因而固氮酶活性中心结构必须是多核原子簇，而且有能实现端基加侧基络合的网兜状构型。在此基础上提出了固氮酶活性中心结构的初步模型——福州模型Ｉ，它是一种能实现投网式络合活化还原氮分子的钼铁硫ＭｏＦｅ３Ｓ３四核网兜状结构，兰州大学化学系黄文魁教授为此人工合成了一系列"G系"(G指兰州大学所在地甘肃省)化学模拟物,以后又进一步演化出孪合双网兜福州模型Ⅱ。
卢嘉锡提出的模型所反映的结构特点，四年后得到顺磁、穆斯鲍尔谱和超精细表面结构分析法对固氮酶钼铁蛋白和铁钼辅基进行研究所得结果的支持。该模型被国际同行在论文中多次引用，并以“Ｍ２Ｓ２”的局部结构形式出现在后来其他科学家提出的模型之中。
２．关于“活性元件组装”设想
自从１８５８年Ｚ．陆森（Ｒｏｕｓｓｉｎ）合成出第一个过渡金属簇合物陆森黑盐Ｋ［Ｆｅ４Ｓ３（ＮＯ）７］以来，过渡金属原子簇
