“自旋”被视为一种重要的电子自由度，可用于提高电催化剂和光催化剂的性能。不难发现，近几年自旋催化在OER，CO₂RR，氨合成以及LSB等多个催化领域中被提及，尤其是在过去的2022年，更是在各大顶刊中频繁出现。然而，作为一个异军突起的新型催化剂作用机制，其内在机理，作用方式究竟是怎么样，其未来的发展方向又在何方？能否去繁化简，将外加磁场改为内在禀性？通过本专题，让我们来进一步展望自旋催化剂新动向。

1.新加坡国立&清华ACS Nano：调控钴单原子催化剂的自旋密度以实现高效OER

新加坡国立大学吕炯教授和清华大学肖海教授等人（共同通讯作者）等人在金属态TaS₂单分子层上合成了铁磁性单原子Co催化剂（Co₁/TaS₂），以此作为模型系统探索了OER中反应位点的自旋态与催化活性的相关性。具体来说，吸附在空心位点的单个Co原子（Co_HS）具有自旋极化电子态，能够作为OER的活性位点。通过控制Co的负载量来调控Co原子间的距离，实现Co位点自旋密度的调控。

实验和理论结果揭示了与自旋密度相关的OER活性，即通过相邻的Co取代Ta的Co_Ta位点（相互作用可以获得Co_HS的最佳自旋密度，从而获得优异的OER性能，而Co_HS位点使得邻近的Co_HS上产生过多的自旋密度，导致了OER性能的降低。因此，该结果表明了优化的Co_HS自旋密度可以得到OER的最佳氧结合能，自旋态与催化位点活性的相关性可以为设计用于可再生能源转换的高效磁性SACs提供新思路。

相关研究成果以“Tuning the Spin Density of Cobalt Single Atom Catalysts for Efficient Oxygen Evolution”为题发表在ACS Nano上。

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2.JACS：Mn掺杂钙钛矿纳米片的自旋极化实现更高效光催化CO2还原！

台湾大学陈俊维和台湾师范大学Chia-Chun Chen团队通过控制卤化物钙钛矿纳米片(NPLs)CsPbBr₃中自旋极化电子，显著提高了CO₂还原转化效率。

该项工作中，以控制CsPbBr₃中掺杂锰阳离子(Mn²⁺)并施加外部磁场来展开实验。结果表明与原始CsPbBr₃NPLs相比，Mn掺杂CsPbBr₃(Mn-CsPbBr₃) NPLs由于掺杂后产生了自旋极化电子，实现了更出色的光催化CO₂RR。并且外加磁场可以显著提高MnCsPbBr₃NPLs的光催化CO₂RR。在300 mT的永磁体下，MnCsPbBr₃NPLs的光催化CO₂RR性能提高了5.7倍。相关研究工作以“Spin-Polarized Photocatalytic CO2 Reduction of Mn-Doped

Perovskite Nanoplates”为题发表在国际顶级期刊Journal of the American Chemical Society上。

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3.李顺方&张振宇Nano Lett.：揭示单原子催化剂“电荷-自旋协同催化”机制

郑州大学李顺方教授和中国科学技术大学张振宇教授联合以O₂在二维铁磁有机金属框架Mn₂C₁₈H₁₂-MSAC体系上的激发和CO氧化为例，通过第一性原理计算模拟，首次发现该MSAC体系高效激发O₂的物理机制为一种新奇的“电荷-自旋的双重协同机制”。当O₂分子吸附在该铁磁性的MSAC体系上的某个Mn单原子活性位时（标记为Mn-I），O₂实现了从自旋三重态到自旋单重态的转变；更重要的是，科研团队发现Mn-I活性位点与其近邻Mn-II单原子在电荷和自旋自由度上具有迥然不同的分工与合作：O₂吸附时，电荷转移主要由Mn-I提供和主导，然而根据Wigner自旋守恒选择定则，Mn-II容纳了从O₂分子上转移来的大部分自旋磁矩，从而实现对O₂从自旋三重态到自旋单态的有效激发，该量子协同机制有效降低了CO催化氧化反应过程的决速步势垒。这种新奇的“电荷-自旋协同催化”的量子效应还被进一步推广到多种磁性X₂C₁₈H₁₂(X=Mn、Fe、Co和Ni)体系，并发现这些MSAC体系对O₂激发的化学活性程度与自旋激发能之间存在明确的线性标度关系。研究成果以题为“Synergetic Charge Transfer and Spin Selection in CO Oxidation at Neighboring Magnetic Single-Atom Catalyst Sites”发表在知名期刊Nano Letters上，郑州大学为第一作者单位，郑州大学物理学院博士研究生张丽莹和青年教师任晓燕副教授为共同第一作者。

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4.专访兰州大学周金元教授：自旋效应如何实现高效锂硫催化

兰州大学周金元教授和Catalonia能源研究院Andreu Cabot等人发现以CoS_x作为催化添加剂时，通过外磁铁产生的磁场可以显著改善LiPS的吸附能力和Li-S反应动力学。研究结果从实验和理论上显示了Co离子的电子自旋极化是如何减少电子排斥和提高轨道杂化程度的，从而使LSB展示出前所未有的性能和稳定性。在外部磁场的作用下，电池在2 C下循环8150后仍能正常工作，单圈衰减率为0.0084%。这项工作不仅证明了自旋效应是促进LiPS吸附和电化学转化的有效策略，而且还丰富了自旋效应在电催化领域的应用。该研究成果以题为“Spin Effect to Promote Reaction Kinetics and Overall Performance of Lithium-Sulfur Batteries under External Magnetic Field”发表在国际期刊Angew上。

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5.合成氨新机制Nat. Commun：合成氨催化中的自旋促进效应

丹麦技术大学物理系Ib Chorkendorff和Jens K. Nørskov教授及其团队概述了合成氨催化剂研究的最新实验结果，并开发了一个综合模型来解释它们是如何工作的。该模型有两个组成部分。首先，研究人员确定了在不同助催化剂存在的情况下活性位点最有可能的结构，然后表明有两个效应决定催化活性。一种是吸附助催化剂与N-N解离过渡态之间的静电相互作用（主要针对Ru和其他非磁性催化剂），另一种是关于磁性催化剂的一种新的自旋促进效应，可使N₂解离的过渡态(TS)能垒大幅度降低，这为发现新的合成氨催化剂开辟了可能。为了帮助理解，首先需要明确的是，Co通常对N₂解离是相当惰性的，即使在碱金属的促进下也表现出轻微的合成氨活性。而由于静电效应在解释Cs和K的促进作用方面起到了很大的作用，因此，该研究团队认为这种静电效应也适用于解释Li、Ba和Ca以及La对于Co的非凡促进效果。然而，研究发现Li，Ba，Ca，La对Co的额外促进作用却与Co的自旋极化有关，非传统的助催化剂降低了相邻Co原子的自旋极化，从而促进N₂解离。这种额外的促进效应与磁性助催化剂诱导的Co原子自旋磁矩的降低成正比。得益于这一反常自旋促进效应，这些助催化剂能最大程度地降低金属原子的自旋力矩，因此由自旋极化引起的N-N解离的TS能垒也得到降低，由此使催化效率得到了提升。

相关研究成果以“A spin promotion effect in catalytic ammonia synthesis”为题发表在国际著名期刊Nature Communications上。

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6.北师大孙根班教授JACS：Cu2+调控Fe3+位点“自旋磁效应”实现高效OER

北京师范大学孙根班教授团队以NiFe层状双氢氧化物（NiFe-LDHs）作为碱性OER催化剂，提出了一种新的磁性Fe³⁺的自旋分裂提升OER催化性能策略—通过Cu²⁺的Jahn-Teller效应有效地诱导和优化了Fe³⁺位的电子结构和自旋态。理论计算结合原位ATR FT-IR揭示了Cu²⁺的引入促进O-O键的形成，提升了OH^-生成O₂反应效率。Cu₁-Ni₆Fe₂-LDH催化剂在10 mA cm^-2时的过电位为210 mV。在Cu²⁺的调控下，实现了NiFe-LDHs从亚铁磁体到铁磁体的转变，并首次证明了在磁场作用下，与NiFe-LDHs相比， CuNiFe-LDHs的OER性能显著提高。磁场辅助条件下Cu₁-Ni₆Fe₂-LDHs在10 mA cm^-2时具有180 mV的超低过电位，是目前OER性能最好的材料之一。研究成果以题为“Regulating the Spin State of Fe^IIIEnhances the Magnetic Effect of the Molecular Catalysis Mechanism”发表在知名期刊J. Am. Chem. Soc.上。

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7.中科院物理所Nat. Commun.：磁场下的自旋极化析氧反应

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心N04组杨海涛副研究员联合新加坡南洋理工大学的徐梽川教授报告，在恒定磁场下使用铁磁有序催化剂作为自旋极化器进行自旋选择，可以增强OER。然而，它不适用于非铁磁性催化剂。接着发现OER的自旋极化发生在电子转移的第一步，在自旋角动量守恒的原理下，铁磁催化剂与吸附的氧原子之间发生了快速的相干自旋交换。在接下来的三个电子转移步骤中，由于吸附的O种自旋方向固定，OER电子需要遵循洪德规则和鲍林不相容原理，自发进行自旋极化，最终导致三态O₂的生成。相关成果以“Spin-polarized oxygen evolution reaction under magnetic field”发表在Nature communications上。任肖为第一作者，杨海涛教授和徐梽川教授为共同通讯作者。

原文链接：中科院物理所Nat. Commun.：磁场下的自旋极化析氧反应