在鈷（Co）基催化劑中，電子自旋狀態(tài)的調(diào)節(jié)是一種分子激活的有效策略。由于長期秩序的破壞和電子結(jié)構(gòu)的改變，晶體與非晶界面通常表現(xiàn)出獨特的催化性能。然而，界面處的分子激活和自旋態(tài)的機(jī)制仍然難以捉摸。

2025年1月26日，清華大學(xué)彭悅副研究員在國際知名期刊Nature Communications發(fā)表題為《Modulation of Co spin state at Co₃O₄?crystalline-amorphous interfaces for CO oxidation and N₂O decomposition》的研究論文，Yunpeng Long為論文第一作者，彭悅為論文通訊作者。

彭悅，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院副研究員。2009年和2012年碩博畢業(yè)于吉林大學(xué)，2012-2017年先后在清華大學(xué)、美國佐治亞理工學(xué)院從事博士后研究，2017年加入清華大學(xué)。

彭悅的主要研究領(lǐng)域為1.大氣污染控制；2.環(huán)保功能材料的密度泛函計算。

在本文中，作者報道了一種基于四氧化三鈷（Co₃O₄）的催化劑，其具有晶體-非晶界面。

系列表征分析證實，四面體Co²⁺是從塊狀大尖晶石中選擇性蝕刻得到，在表面形成非晶態(tài)CoO島。在配位場中產(chǎn)生的對稱性破裂導(dǎo)致了CO³⁺3 d軌道的重構(gòu)，從而導(dǎo)致高自旋態(tài)的形成。在CO氧化中，該界面充當(dāng)具有較低能壘的新型活性位點，并由晶格氧激活促進(jìn)。在N₂O分解中，界面通過量子自旋交換相互作用促進(jìn)解離氧的重新關(guān)聯(lián)。

本工作提供了一種直接調(diào)節(jié)界面自旋狀態(tài)的方法，并闡明了它們在分子活化中的作用。

圖1：批量結(jié)構(gòu)表征

圖2：電子結(jié)構(gòu)表征

圖3：Co₃O₄和Co₃O₄-AT5的催化性能

圖4：密度泛函理論（DFT）計算

綜上，作者研究了一種具有晶體-非晶界面的Co₃O₄尖晶石基催化劑，通過堿液處理和煅燒制備，重點探討了其在CO氧化和N₂O分解反應(yīng)中的性能及作用機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)，晶體-非晶界面的形成導(dǎo)致Co³⁺的3 d軌道重構(gòu)，誘導(dǎo)高自旋態(tài)的產(chǎn)生，從而降低了CO氧化的能壘，并通過量子自旋交換相互作用促進(jìn)了N₂O分解中解離氧的重新結(jié)合。結(jié)果表明，經(jīng)過處理的催化劑在CO氧化和N₂O分解反應(yīng)中展現(xiàn)出顯著提升的活性和穩(wěn)定性。

該研究不僅提供了一種簡單有效的調(diào)節(jié)界面自旋態(tài)的方法，還闡明了晶體-非晶界面在分子激活中的關(guān)鍵作用，為設(shè)計新型高效催化劑提供了理論依據(jù)和實驗指導(dǎo)。

這種催化劑在處理含氧分子的催化反應(yīng)中表現(xiàn)出色，如CO氧化和N₂O分解，對于減少溫室氣體排放、提高能源利用效率具有重要意義，有望在環(huán)保和可持續(xù)能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

Long, Y., Zhu, X., Gao, C.?et al.?Modulation of Co spin state at Co₃O₄?crystalline-amorphous interfaces for CO oxidation and N₂O decomposition.?Nat. Commun., (2025).