【AM寧波材料所建所20周年?？炕陔娮与姾杉白孕龑傩哉{(diào)控的催化材料研究進展
電荷和自旋作為電子的內(nèi)稟屬性，在化學(xué)反應(yīng)過程中伴隨著電子的轉(zhuǎn)移一同被轉(zhuǎn)移，并在催化反應(yīng)的不同階段發(fā)揮不同的作用。調(diào)節(jié)電子的基本性質(zhì)將有效改變活性位點和反應(yīng)中間體的吸附/解吸行為，從而影響電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)并最終提高催化效率。因此，基于操縱電子電荷和自旋屬性的優(yōu)化將成為設(shè)計高效催化劑的新策略。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所磁性能量轉(zhuǎn)換材料團隊李國偉研究員長期致力于拓撲催化效應(yīng)研究，利用磁結(jié)構(gòu)調(diào)控優(yōu)化分子催化過程如綠氫制備及燃料電池反應(yīng)等。在前期的研究中提出了一系列基于磁性、磁場等手段優(yōu)化催化效率的策略（Nat. Rev. Phys., 2022, 4: 611；Nat. Commun., 2022, 13, 7784），并且證實了金屬表面電子態(tài)（OSSs）可以作為尋找催化活性中心的快速判定方法，預(yù)測了超過400種潛在的高活性催化材料（Adv. Mater., 2022, 34, 2201328）。
近日，寧波材料所李國偉研究員受邀在Advanced Materials期刊上發(fā)表綜述論文，通過強調(diào)電子性質(zhì)所起的重要作用，概述了多相催化反應(yīng)的本質(zhì)。分析了控制催化效率的電子電荷和自旋的物理和電化學(xué)性質(zhì)，強調(diào)了外場技術(shù)對線性比例關(guān)系（LSR）的顯著影響，以及電子自旋在推進高性能催化劑設(shè)計中的重要作用，展望了自旋催化的潛在應(yīng)用及其現(xiàn)存的挑戰(zhàn)和局限性。
電荷通常被認為是電子最重要的屬性，這是因為在許多情況下僅通過考慮電荷屬性就可以理解催化劑的化學(xué)和物理特性。目前，在通過調(diào)節(jié)電子電荷屬性優(yōu)化催化效率方面已經(jīng)取得了實質(zhì)性進展。這主要包括對d帶電子結(jié)構(gòu)、電荷分布和導(dǎo)電性的優(yōu)化。其中，催化劑d軌道的填充狀態(tài)控制著吸附過程。活性位點處對反應(yīng)中間體適中的結(jié)合強度（吸附與解吸能）對于催化效率而言至關(guān)重要。此外，電子傳輸是多相催化反應(yīng)過程中的關(guān)鍵步驟，對于半導(dǎo)體材料而言，操縱電導(dǎo)率可以改變電子在其表面的傳輸，這將直接影響其催化效率。同時，鍵的形成和斷裂過程與催化活性位點處的電子密度密切相關(guān)?；钚灾行闹車碾姾煞e累或耗盡分別使d帶中心上升或下降，這會影響反應(yīng)中間體的覆蓋率和催化活性。
自旋作為電子的另一種固有屬性，由電子內(nèi)部角動量產(chǎn)生。其對于催化的影響從氧化或還原過程中的電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)和選擇性延伸到與活性中心和反應(yīng)物之間的鍵形成的相關(guān)過程。因此，調(diào)節(jié)電子自旋屬性成為提高催化劑固有活性的一種有效策略，進而衍生出自旋催化的相關(guān)概念。目前，基于操縱自旋極化的各種策略已被提出并用于提升催化性能，例如通過引入應(yīng)變、配體調(diào)節(jié)、元素摻雜來改變eg軌道電子占有率從而優(yōu)化對關(guān)鍵中間體的吸附能，通過施加外部磁場可以操縱自旋轉(zhuǎn)移及反應(yīng)選擇性。除了由本征磁性或外部磁場誘導(dǎo)的有序磁矩外，還可以通過手性誘導(dǎo)自旋選擇性效應(yīng)產(chǎn)生自旋極化電子。
催化是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。盡管通過實驗揭示電子電荷、自旋在催化反應(yīng)過程中的內(nèi)在機制仍然具有挑戰(zhàn)性，但對電子自旋的探索作為一種新興的催化設(shè)計途徑，為人類了解生命的起源提供可能，并且為推進我們對基本化學(xué)過程的理解和探索化學(xué)研究的前沿如手性化學(xué)提供了新的思路。
該綜述以題為“From Charge to Spin: An In-Depth Exploration of Electron Transfer in Energy Electrocatalysis”發(fā)表于Advanced Materials（原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202312524），并被期刊收錄到Hot Topic: Magnetic Materials專輯。寧波材料所/浙江工業(yè)大學(xué)碩士研究生孫樹彬、寧波材料所博士研究生張鈺笛為論文第一作者，寧波材料所孫文高級工程師、李國偉研究員為論文通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目（52271194）、甬江引才工程（2022A-090-G）、馬普學(xué)會伙伴小組項目等項目的資助。
圖1?電子的電荷和自旋屬性與催化作用的關(guān)系
（磁性材料與器件重點實驗室 孫樹彬）
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