近日，Advanced Materials在線刊發了我校6774澳门永利王春棟教授與清華大學王定勝教授關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”。我院王春棟教授與清華王定勝教授為共同通訊作者，我院碩士生張惠雯/博士後Solmaz Feizpoor、長庚大學Hsiao-Chien Chen助理教授為論文共同第一作者，6774澳门永利為論文第一完成單位。

自旋催化示意圖

盡管質子交換膜燃料電池和鋅-空氣電池是解決可持續能源問題的關鍵突破，但反應動力學緩慢的陰極氧還原反應（Oxygen reduction reaction，ORR）極大限制了這些技術的發展。在衆多有前景的催化劑中，鐵和氮共摻雜的碳材料（Fe-N-C）因其獨特的電子結構和優異的催化活性脫穎而出，為提高能量轉換效率提供了潛在的解決方案。氧中間體p軌道與活性位點d軌道的結合強度與氧還原反應動力學密切相關，并對金屬位點的電子自旋構型高度敏感，這是描述氧還原反應活性的關鍵因素。而目前用于制備Fe-N-C催化劑的合成方法通常不能實現對鐵單原子自旋狀态的精确控制，這可能會導緻自旋構型的分布不理想，不利于催化反應進行。

圖為部分實驗結果

基于此，研究者使用雙配體鋅基沸石框架成功地将單分散的鐵原子和鄰近的鐵原子團簇錨定在N摻雜的層狀多孔空心碳上，記為Fe_SA/AC@HNC。實驗和密度泛函理論計算證明，原子團簇的引入降低了單原子活性位點的電子雲密度，增加了單原子的有效磁矩，導緻Fe-N₄基體中電子自旋态從低自旋(LS)向中自旋(MS)轉變。中自旋态Fe(Ⅱ)的d_Z²軌道被部分占據，會與氧還原反應的關鍵中間體OH^*形成σ^*的軌道，降低了OH^*在Fe(II)上的成鍵鍵序，提高了氧還原反應的動力學。Fe_SA/AC@HNC在0.5M H₂SO₄和0.1 M KOH中分别獲得了0.78 V和0.90 V的半波電位，展示出了優異的氧還原催化活性。鐵團簇和單原子的之間的相互作用也可以從增強的穩定性行為和進一步配置的可充電鋅空氣電池中得到驗證。

此項工作是王春棟教授團隊在自旋催化方向的階段性研究成果。團隊長期從事電催化相關探索，近兩年來在能源催化材料局域電子調控及反應動力學機制研究方面取得了系統研究成果（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. (封面論文)），并獲得2022年湖北省自然科學三等獎（第一完成人）

論文地址：

Tailoring Oxygen Reduction Reaction Kinetics of Fe−N−C catalyst via Spin Manipulation for Efficient Zinc–Air Batteries

DOI: 10.1002/adma.202400523