西北工业大学黄维院士、艾伟教授AM：应变诱导磁有序解锁锂氧电池自旋守恒催化新机制

第一作者：周振凯，李博鑫

通讯作者：艾伟*，黄维*

单位：西北工业大学柔性电子研究院

锂氧电池的实际应用受氧氧化还原反应动力学迟缓、副反应频发的严重制约，其核心瓶颈为三重态O2与单重态Li2O2间的自旋禁阻跃迁这一量子力学约束。该跃迁形成的自旋翻转能垒会产生固有能量损耗，成为电池充放电过电位的重要来源，最终导致其能量效率低、可逆性差。当前催化剂设计多聚焦电子结构调制、缺陷工程等方向，却普遍忽视自旋关联电催化的关键维度，未将电子自旋极化与分子轨道对称性进行策略性匹配，使得氧还原（ORR）/氧析出（OER）反应的电子转移过程需消耗大量能量。铁磁催化剂可通过原子磁矩定向排列产生自旋极化电子，实现平行自旋注入氧中间体以规避自旋翻转能垒。并且，其催化效率与磁畴相干性直接相关，单畴结构的自旋传输效率远高于多畴结构。但传统磁畴调控策略（磁性原子掺杂、空位、外磁场等）会破坏材料结构完整性或需复杂装置设施，且仅能表面修饰自旋态，无法重构本征交换作用，难以兼顾催化剂磁性提升与耐久性保持。因此，构建本征自旋有序催化剂，通过调控其自旋态与磁畴结构以突破锂氧电池的自旋约束，成为该领域发展的关键方向。

近日，来自西北工业大学的黄维院士团队艾伟教授课题组在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Strain-Induced Magnetic Ordering Unlocks Spin-Conserved Catalysis in Lithium-Oxygen Batteries”的研究论文。该研究提出晶格拉伸应变工程策略，制备出还原氧化石墨烯负载的应变型二硫化钴催化剂（s-CoS2/rGO），为突破锂氧电池自旋禁阻跃迁的核心瓶颈提供了新方案。研究通过快速淬火工艺在CoS2（111）晶面引入约4%的拉伸应变，显著增强其铁磁交换相互作用，驱动磁畴结构从多畴转变为相干单畴，实现了原子磁矩平行排列，同时降低晶格分裂能，促使Co位点由低自旋向高自旋态转变，大幅提升活性位点的未配对电子密度。该重构结构在Co-S活性位点构建了自旋极化选择通道，实现三重态O2与单重态Li2O2间的自旋守恒电子转移，有效规避自旋翻转能垒，显著提升自旋极化电流密度与降低O2解离势垒，优化了ORR/OER催化动力学。电化学测试表明，基于s-CoS2/rGO正极的锂氧电池在200 mA g-1电流密度下，循环寿命超2000 h，极化显著降低，催化稳定性与效率大幅提升。本研究证实晶格拉伸应变诱导的自旋态调控可实现长程磁有序构建，为过渡金属基铁磁催化剂的设计提供普适性策略，也为自旋电子学电催化在储能电池领域的应用奠定了理论与实验基础。

图2从机制示意图与结构表征两方面，系统验证了拉伸应变对CoS2的晶格调控及磁自旋改性效果。示意图直观展现了拉伸应变使CoS2实现多畴向单畴结构、低自旋向高自旋态的转变，完成磁学与电子结构的双重优化。HRTEM图像显示，s-CoS2/rGO的（111）晶面间距从原始的0.311 nm增至0.326 nm，证实了晶格拉伸；STEM与GPA应变图谱进一步直观地表明其面内、面外及剪切应变与位错偶极子更显著；XRD谱中s-CoS2/rGO的（111）特征峰负移，量化出约4%的晶格膨胀，Raman光谱中Co-S键特征振动峰红移，验证了应变引发的键长伸长。

通过多尺度实验表征与第一性原理计算，系统揭示了晶格拉伸应变对CoS2磁畴结构、自旋态及电子自旋极化的调控机制。室温磁滞回线显示，s-CoS2/rGO的矫顽力与剩磁显著提升，证实应变诱导本征铁磁有序增强；变温磁化率测试表明样品磁化率符合Curie-Weiss定律，定量计算得出s-CoS2/rGO的有效磁矩达5.803 μB、未成对电子数n≈4.88，相较对照组（n≈0.04）实现数量级提升，直接证明拉伸应变驱动Co活性位点从低自旋态向高自旋态发生根本性转变。AFM与MFM表征显示，CoS2/rGO为典型多畴结构，畴界处存在自旋阻挫与自旋散射；而s-CoS2/rGO形成了相干单畴结构，消除了畴界导致的自旋去极化，成功构建了长程自旋极化电子输运通道。与此同时，第一性原理计算表明，Co-S活性界面处存在显著的自旋积累，源于应变诱导的d轨道极化与铁磁交换作用增强，从原子层面阐明了自旋选择性电子转移的内在机制。

通过多维度电化学测试，系统验证了s-CoS2/rGO催化剂在锂氧电池中优异的双功能电催化性能、反应动力学特性及循环稳定性。在200 mA g-1的电流密度下，s-CoS2/rGO展现出仅1.04 V的充放电过电位，并实现了13362 mAh g-1的高放电比容量。在200 mA g-1的电流密度和1000 mAh g-1的额定比容量条件下，s-CoS2/rGO可稳定循环超197圈（2000 h），远优于rGO和CoS2/rGO正极，充分证实了应变诱导自旋调控策略对锂氧电池电化学性能的突破性提升效果。

进一步结合理论计算与机制示意图，从原子尺度揭示了晶格拉伸应变调控CoS2催化剂实现高效自旋守恒催化的核心机制。DFT计算表明，s-CoS2（111）晶面对氧中间体的吸附能显著提升，对O₂的吸附能达-2.45 eV，远高于CoS2（111）的-0.82 eV，强化了催化界面与氧物种的相互作用。吉布斯自由能计算显示，s-CoS2（111）的ORR/OER过电位大幅降低，且能通过自旋极化电子转移实现Li2O2的高效解离，突破传统催化的速率限制。机制示意图进一步直观展现，拉伸应变使CoS2从多畴、低自旋与非自旋极化的结构，转变为单畴、高自旋且具有自旋极化传导通道的构型，实现Co-S位点的自旋守恒电子转移，规避了O2/Li2O2转化的自旋翻转能垒，优化了氧中间体吸附/脱附动力学，从本质上加速ORR/OER反应动力学，为锂氧电池自旋电子学电催化提供了清晰的原子尺度理论支撑。

Strain-Induced Magnetic Ordering Unlocks Spin-Conserved Catalysis in Lithium-Oxygen Batteries

黄维：中国科学院院士、美国国家工程院外籍院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士、欧亚科学院院士。教授、博导，柔性电子（包括有机电子、塑料电子、生物电子、印刷电子、能源电子和纳米电子）学家。俄罗斯科学院名誉博士、英国谢菲尔德大学名誉博士，英国皇家化学会会士、美国光学学会士、国际光学工程学会会士。曾两次获得国家自然科学奖二等奖、四次获得高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖一等奖、六次获得江苏省科学技术奖一、二等奖以及何梁何利基金“科学与技术进步奖”和中国电子学会自然科学奖一等奖等，成果曾入围中国“高等学校十大科技进展”。现任西北工业大学学术委员会主任、柔性电子前沿科学中心首席科学家。

艾伟：柔性电子研究院教授、博导，印刷电子研究所所长，入选国家高层次留学人才回国资助。主要从事电化学能源材料及柔性器件研究，主持军口国家级重点项目，国家自然科学基金面上项目/青年项目，横向项目等12项。近年来，以第一/通讯作者在Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Nano Letters等期刊发表学术论文80余篇，ESI高被引论文9篇、热点论文2篇。授权中国发明专利7项，转化2项。相关研究成果被EurekAlert、Advances In Engineering、Materials View China等主流媒体选为研究亮点进行报道，并被央视新闻频道CCTV-13《新闻直播间》、陕西新闻联播等进行专题报道。担任Nano Materials编委会成员，《材料导报》客座编辑，Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Nature Communications等40余种国内外著名学术期刊审稿人，国家自然科学基金函评专家，长江学者奖励计划通讯评审专家。获得2022年陕西高等学校科学技术研究优秀成果一等奖。