中科大江俊团队: 揭示电子自旋对氧还原反应催化剂选择性影响

学术   2025-01-07 10:45   中国香港  

研究背景

自旋是电子的重要内禀性质,与催化剂的活性和选择性密切相关。原子分散过渡金属催化剂的活性和选择性高度依赖金属的自旋态,尤其是作为催化剂设计首选的 Fe、Co、Ni、Mn 和 Cu 等高丰度 3d 磁性元素。
明晰自旋在催化中的机制有助于高性能催化剂的研发,然而,自旋和催化活性以及选择性的内在关联是多层次、高复杂的。

文章简介

近日,中国科学技术大学江俊教授和河南省科学院智慧创制研究所钟文辉特聘研究员带领研究团队采用密度泛函理论计算的方法揭示了自旋对二维氮掺杂石墨烯 (N–C) 材料负载的双原子 (Fe 和 Mn) 催化的氧还原反应 (ORR) 选择性的影响。

  • Figure 通过调控 Fe–Mn–N₆–C 上的自旋态和活性中心实现 ORR 选择性的示意图
通过指定单个 Fe 或 Mn 原子作为活性位点以及自旋态的调控,反应主要遵循 2 电子 (2e⁻) 路径,对过氧化氢 (H₂O₂) 产生高选择性。相反,双 Fe 和 Mn 活性位点有利于 4 电子 (4e⁻) 路径,通过自旋态的调控 O–O 键解离的能垒降低至 0.18 eV,促进水 (H₂O) 的生成。4e⁻ 和 2e⁻ 路径之间电子自旋磁矩的差异变化是选择性评估的关键描述符。该方法通过巧妙地调控单金属和双金属活性中心及其自旋态,可以实现 ORR 反应的选择性控制。
这一发现增强了对自旋相关催化剂的理解,并为开发具有广泛应用前景的催化剂提供了理论基础,并阐明了自旋调控在催化性能优化中的关键作用。该成果以“Achieving the selectivity of the oxygen reduction reaction by regulating electron spin states and active centers on Fe–Mn–N₆–C dual-atom catalysts”(《通过调控 Fe–Mn–N₆–C 双原子催化剂上的电子自旋态和活性中心实现氧还原反应的选择性》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry A 上,并入选为 hot article

论文信息

  • The synergistic mechanisms Achieving the selectivity of the oxygen reduction reaction by regulating electron spin states and active centers on Fe–Mn–N₆–C dual-atom

    Shiyao Li, Honghao Chen, Yue Qiu, Chengxing Cui, Wenhui Zhong* and Jun Jiang*

    J. Mater. Chem. A, 2024, 12, 32855-32870
    https://doi.org/10.1039/D4TA06650B

作者简介

李世耀 硕士研究生
曲阜师范大学
本文第一作者,曲阜师范大学化学与化工学院物理化学专业 2022 级硕士研究生,导师钟文辉特聘研究员,从事自旋催化方向的研究。






钟文辉 研究员
河南省科学院智慧创制研究所

本文通讯作者,河南省科学院智慧创制研究所特聘研究员,山东省优青。聚焦于燃料电池电极催化反应机理与构效关系等科学问题的理论研究,探究高效催化剂设计以及反应精准调控的新思路。已在 J. Am. Chem. Soc. 等国际重要影响期刊上发表研究论文 40 余篇,其中 2 篇 J. Am. Chem. Soc. 文章受到主编 Erick M. Carreira 教授的表彰。主持国家自然基金 3 项,省自然科学基金 3 项。







江俊 教授
中国科学技术大学

本文通讯作者,中国科学技术大学化学与材料科学学院教授,博导,国家杰青,获得中国化学会唐敖庆青年理论化学家奖和日本化学会杰出讲座奖。主要从事理论化学与人工智能的交叉研究,聚焦于复杂体系内电子运动模拟,研究在多个物理与化学应用领域(催化/光催化、生物化学、光化学、分子电子学与光子学)中的实际问题。在国际知名 SCI 期刊如 Nat. Energy, Nat. commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater. 等发表论文 180 余篇。近年来结合数据挖掘和人工智能技术,主持开发了全球首个计算数据驱动的全流程机器化学家系统(http://staff.ustc.edu.cn/~jiangj1/AIChem.mp4),发展了 5 个计算软件包,在多个国家的知名研究组应用。开发了化学材料知识图谱,建设了大规模材料科学数据库平台(www.dcaiku.com),包含 9000 万分子、30 万晶体材料、1100 万化学反应、数万种催化/光电材料等数据资源。

期刊介绍

Materials with applications in energy & sustainability

rsc.li/materials-a

J. Mater. Chem. A

2-年影响因子*10.7
5-年影响因子*10.8
JCR 分区*Q1能源与燃料
Q1化学-物化
Q1材料-多学科
CiteScore 分19.5
中位一审周期30 


Journal of Materials Chemistry A和 报道材料化学各领域的高质量理论或实验研究工作。这三本期刊发表的论文侧重于报道对材料及其性质的新理解、材料的新应用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry A和 的区别在于所报道材料的不同预期用途。粗略的划分是,Journal of Materials Chemistry A 报道材料在能源和可持续性方面的应用,Journal of Materials Chemistry B 报道材料在生物学和医学方面的应用,Journal of Materials Chemistry C 报道材料在光学、磁学和电子设备方面的应用。

Editor-in-Chief
  • Anders Hagfeldt
    🇸🇪 乌普萨拉大学

Scientific editors
  • Sofia Calero
    🇳🇱 埃因霍芬理工大学

  • Serena Cussen
    🇮🇪 都柏林大学学院

  • Frank Osterloh
    🇺🇸 加州大学戴维斯分校

  • Xiaowei Zhan (占肖卫)
    🇨🇳 北京大学

Associate editors

  • Veronica Augustyn
    🇺🇸 北卡罗来纳州立大学

  • Viola Birss
    🇨🇦 卡尔加里大学

  • Ghim Wei Ho (何锦韦)
    🇸🇬 新加坡国立大学

  • Yun Jeong Hwang
    🇰🇷 首尔国立大学

  • Kisuk Kang
    🇰🇷 首尔国立大学

  • Subrata Kundu
    🇮🇳 中央电化学研究所(CSIR-CECRI)

  • Dan Li (李丹)
    🇨🇳 暨南大学

  • Yi-Chun Lu (卢怡君)
    🇨🇳🇭🇰 香港中文大学

  • Jennifer Rupp
    🇩🇪 慕尼黑工业大学

  • Miriam Unterlass
    🇩🇪 康斯坦茨大学

  • Lydia Helena Wong
    🇸🇬 南洋理工大学

  • Li-Zhu Wu (吴骊珠)
    🇨🇳 中科院理化所

  • Yusuke Yamauchi
    🇦🇺 昆士兰大学

  • Zhen Zhou (周震)
    🇨🇳 南开大学

* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
 CiteScore 2023 by Elsevier
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