近日，郑州大学物理学院凝聚态计算与理论物理研究所李顺方教授课题组在磁性单原子催化剂“电荷-自旋协同催化”物理机制方面取得积极进展，相关成果以题为“Synergetic Charge Transfer and Spin Selection in CO Oxidation at Neighboring Magnetic Single-Atom Catalyst Sites”的论文发表于国际权威期刊《Nano Letters》。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，李顺方教授和中国科学技术大学张振宇教授为通讯作者，郑州大学为第一作者单位。

近十年来，单原子催化剂的理论设计和实验制备已经成为催化领域国际研究热点之一。对于许多重要的氧化过程，特别是O2分子所涉及的氧化过程，O2的活化涉及从自旋三重态到自旋单态的激发和跃迁。在此过程中，首先，整个体系必须遵守电荷守恒；另外，根据量子力学的基本原理，1928年，Wigner提出在自旋轨道耦合强度不明显的情况下，体系的自旋也必须遵从自旋守恒选择定则。然而，多年来，各种化学反应过程中自旋守恒的微观物理机制和过程并不十分清楚。与此相应，李顺方教授科研团队提出，磁性单原子催化剂(MSAC)将是一个良好的平台来阐述上述自旋选择定则的微观机理。

研究团队以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。

该工作得到了国家自然科学基金委、河南省科技攻关等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00711