华中科技大学王春栋教授团队在自旋催化方面取得新进展

近日，Advanced Materials在线刊发了华中科技大学集成电路学院王春栋教授与清华大学王定胜教授关于自旋催化的最新研究成果“Tailoring oxygen reduction reaction kinetics of Fe−N−C catalyst via spin manipulation for efficient zinc-air Batteries”。 我院王春栋教授与清华王定胜教授为共同通讯作者，我院硕士生张惠雯/博士后Solmaz Feizpoor、长庚大学Hsiao-Chien Chen助理教授为论文共同第一作者，华中科技大学集成电路学院为论文第一完成单位。

自旋催化示意图

尽管质子交换膜燃料电池和锌-空气电池是解决可持续能源问题的关键突破，但反应动力学缓慢的阴极氧还原反应（Oxygen reduction reaction，ORR）极大限制了这些技术的发展。在众多有前景的催化剂中，铁和氮共掺杂的碳材料（Fe-N-C）因其独特的电子结构和优异的催化活性脱颖而出，为提高能量转换效率提供了潜在的解决方案。氧中间体p轨道与活性位点d轨道的结合强度与氧还原反应动力学密切相关，并对金属位点的电子自旋构型高度敏感，这是描述氧还原反应活性的关键因素。而目前用于制备Fe-N-C催化剂的合成方法通常不能实现对铁单原子自旋状态的精确控制，这可能会导致自旋构型的分布不理想，不利于催化反应进行。

图为部分实验结果

基于此，研究者使用双配体锌基沸石框架成功地将单分散的铁原子和邻近的铁原子团簇锚定在N掺杂的层状多孔空心碳上，记为FeSA/AC@HNC。实验和密度泛函理论计算证明，原子团簇的引入降低了单原子活性位点的电子云密度，增加了单原子的有效磁矩，导致Fe-N4基体中电子自旋态从低自旋(LS)向中自旋(MS)转变。中自旋态Fe(Ⅱ)的dZ2轨道被部分占据，会与氧还原反应的关键中间体OH*形成σ*的轨道，降低了OH*在Fe(II)上的成键键序，提高了氧还原反应的动力学。FeSA/AC@HNC在0.5 M H2SO4和0.1 M KOH中分别获得了0.78 V和0.90 V的半波电位，展示出了优异的氧还原催化活性。铁团簇和单原子的之间的相互作用也可以从增强的稳定性行为和进一步配置的可充电锌空气电池中得到验证。

此项工作是王春栋教授团队在自旋催化方向的阶段性研究成果。团队长期从事电催化相关探索，近两年来在能源催化材料局域电子调控及反应动力学机制研究方面取得了系统研究成果（ACS Nano, 2024,18,1214–1225；ACS Nano, 2023, 17, 10906–10917; Adv. Funct. Mater., 2023, 2303986; Chem Catalysis,2023, 100840; Nano Energy, 2023, 118，108952; Coord. Chem. Rev., 2023, 488, 215189; Coord. Chem. Rev.,2023, 478,214973；Sci. Bull, 2022, 67, 1763; Research, 2022, 9837109; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 3, 1174-1186. (封面论文)），并获得2022年湖北省自然科学三等奖（第一完成人）