近日，鄭州大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)計(jì)算與理論物理研究所李順方教授課題組在磁性單原子催化劑“電荷-自旋協(xié)同催化”物理機(jī)制方面取得積極進(jìn)展，相關(guān)成果以題為“Synergetic Charge Transfer and Spin Selection in CO Oxidation at Neighboring Magnetic Single-Atom Catalyst Sites”的論文發(fā)表于國際權(quán)威期刊《Nano Letters》。物理學(xué)院博士研究生張麗瑩和青年教師任曉燕副教授為共同第一作者，李順方教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張振宇教授為通訊作者，鄭州大學(xué)為第一作者單位。

近十年來，單原子催化劑的理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)制備已經(jīng)成為催化領(lǐng)域國際研究熱點(diǎn)之一。對(duì)于許多重要的氧化過程，特別是O2分子所涉及的氧化過程，O2的活化涉及從自旋三重態(tài)到自旋單態(tài)的激發(fā)和躍遷。在此過程中，首先，整個(gè)體系必須遵守電荷守恒；另外，根據(jù)量子力學(xué)的基本原理，1928年，Wigner提出在自旋軌道耦合強(qiáng)度不明顯的情況下，體系的自旋也必須遵從自旋守恒選擇定則。然而，多年來，各種化學(xué)反應(yīng)過程中自旋守恒的微觀物理機(jī)制和過程并不十分清楚。與此相應(yīng)，李順方教授科研團(tuán)隊(duì)提出，磁性單原子催化劑(MSAC)將是一個(gè)良好的平臺(tái)來闡述上述自旋選擇定則的微觀機(jī)理。

研究團(tuán)隊(duì)以O(shè)2在二維鐵磁有機(jī)金屬框架Mn2C18H12-MSAC體系上的激發(fā)和CO氧化為例，通過第一性原理計(jì)算模擬，首次發(fā)現(xiàn)，該MSAC體系高效激發(fā)O2的物理機(jī)制為一種新奇的“電荷-自旋的雙重協(xié)同機(jī)制”。當(dāng) O2 分子吸附在該鐵磁性的MSAC體系上的某個(gè) Mn 單原子活性位時(shí)（標(biāo)記為 Mn-I），O2實(shí)現(xiàn)了從自旋三重態(tài)到自旋單重態(tài)的轉(zhuǎn)變；更重要的是，科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Mn-I活性位點(diǎn)與其近鄰Mn-II單原子在電荷和自旋自由度上具有迥然不同的分工與合作：O2吸附時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移主要由Mn-I提供和主導(dǎo)，然而根據(jù)Wigner自旋守恒選擇定則，Mn-II容納了從O2分子上轉(zhuǎn)移來的大部分自旋磁矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) O2 從自旋三重態(tài)到自旋單態(tài)的有效激發(fā)，該量子協(xié)同機(jī)制有效降低了CO催化氧化反應(yīng)過程的決速步勢(shì)壘。這種新奇的“電荷-自旋協(xié)同催化”的量子效應(yīng)還被進(jìn)一步推廣到多種磁性X2C18H12(X=Mn、Fe、Co和Ni)體系，并發(fā)現(xiàn)這些MSAC體系對(duì)O2激發(fā)的化學(xué)活性程度與自旋激發(fā)能之間存在明確的線性標(biāo)度關(guān)系。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、河南省科技攻關(guān)等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00711