新闻网讯 11月5日，王春栋教授团队在《纳米快报》（Nano letters）发表题为“针对锌空电池氧还原反应的d轨道曲率应变诱导自旋调控（Curvature Strain–Induced Electron Spin Leveraging in dOrbitalstoward Oxygen Reduction forZn–Air Batteries）”的研究论文。王春栋为论文唯一通讯作者。

研究报道了一种通过调控分子催化剂自旋态以提升氧还原反应效率的新策略。团队利用具有正高斯曲率的氮掺杂碳纳米洋葱作为载体，通过界面应变成功诱导铁酞菁分子发生几何畸变。该FePc/CNO催化剂在0.1 M KOH电解液中表现出卓越的ORR活性，其半波电位为0.89 V，塔菲尔斜率低至30 mV dec⁻¹，优于商业Pt/C催化剂及大多数已报道的非贵金属催化剂。理论计算与实验表征共同揭示，载体曲率引起的分子畸变促使Fe离子自旋态从低自旋态（LS,t_2g⁶e_g⁰）向中自旋态（IS,t_2g⁵e_g¹）转变，这一关键转变优化了氧中间体在FeN₄位点上的吸附强度，从而显著提升了反应动力学。将其应用于锌空电池，展现出162.4 mW cm⁻²的高功率密度和优异的循环稳定性。

图为部分实验结果。

尽管Fe-N-C类单原子催化剂在氧还原反应中展现出巨大潜力，但其催化活性仍受限于金属中心对氧中间体的过强吸附。为突破此限制，研究人员创新性地采用具有高曲率的碳纳米洋葱作为载体，通过精准的局域应变调控，改变了铁酞菁分子原本刚性的平面几何构型。多种先进表征技术证实，FePc/CNO中Fe离子的自旋态成功由低自旋转变为中自旋。这一电子结构的根本性改变，使得单个未配对电子能够填充至dz₂轨道，进而通过形成占据的反键轨道削弱对含氧中间体的吸附，遵循了Sabatier原理对最佳吸附强度的要求。该研究通过建立“载体曲率-几何结构-电子自旋-催化性能”的构效关系，为在原子尺度精准调控单原子催化剂的电子结构提供了全新思路，并展示了其在清洁能源器件中的广阔应用前景。

此项工作是王春栋教授团队在自旋催化方向的阶段性研究成果。团队长期从事电催化相关探索，近两年来在能源催化材料局域电子调控及反应动力学机制研究方面取得了系统研究成果。

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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c04405