近日，鄭州大學物理學院凝聚態計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-自旋協同催化”物理機制方面取得積極進展，相關成果以題為“Synergetic Charge Transfer and Spin Selection in CO Oxidation at Neighboring Magnetic Single-Atom Catalyst Sites”的論文發表于國際權威期刊《Nano Letters》。物理學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技術大學張振宇教授為通訊作者，鄭州大學為第一作者單位。

近十年來，單原子催化劑的理論設計和實驗制備已經成為催化領域國際研究熱點之一。對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到自旋單態的激發和躍遷。在此過程中，首先，整個體系必須遵守電荷守恒；另外，根據量子力學的基本原理，1928年，Wigner提出在自旋軌道耦合強度不明顯的情況下，體系的自旋也必須遵從自旋守恒選擇定則。然而，多年來，各種化學反應過程中自旋守恒的微觀物理機制和過程并不十分清楚。與此相應，李順方教授科研團隊提出，磁性單原子催化劑(MSAC)將是一個良好的平臺來闡述上述自旋選擇定則的微觀機理。

研究團隊以O2在二維鐵磁有機金屬框架Mn2C18H12-MSAC體系上的激發和CO氧化為例，通過第一性原理計算模擬，首次發現，該MSAC體系高效激發O2的物理機制為一種新奇的“電荷-自旋的雙重協同機制”。當 O2 分子吸附在該鐵磁性的MSAC體系上的某個 Mn 單原子活性位時（標記為 Mn-I），O2實現了從自旋三重態到自旋單重態的轉變；更重要的是，科研團隊發現Mn-I活性位點與其近鄰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，電荷轉移主要由Mn-I提供和主導，然而根據Wigner自旋守恒選擇定則，Mn-II容納了從O2分子上轉移來的大部分自旋磁矩，從而實現對 O2 從自旋三重態到自旋單態的有效激發，該量子協同機制有效降低了CO催化氧化反應過程的決速步勢壘。這種新奇的“電荷-自旋協同催化”的量子效應還被進一步推廣到多種磁性X2C18H12(X=Mn、Fe、Co和Ni)體系，并發現這些MSAC體系對O2激發的化學活性程度與自旋激發能之間存在明確的線性標度關系。

該工作得到了國家自然科學基金委、河南省科技攻關等項目的資助。

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