郑伟涛教授课题组张伟教授，Angew观点：动态自旋工程-破译三原子非对称配位场的密匙

第一作者：宋可心

通讯作者：张伟*

单位：吉林大学

单原子催化剂（SACs）因其在氧还原反应（ORR）中的卓越动力学性能而备受关注。然而，传统的单原子催化剂SACs存在动态适应性有限的问题，难以满足多步质子耦合电子转移（PCET）的需求。尽管通过调控MNx配位结构（如配位数、杂原子掺杂）可以在一定程度上优化d带电子构型，但单金属中心的催化剂在多步PCET过程中仍面临反应路径受限、电子适应性不足等挑战。此外，静态电子结构在吸附能量需求不同的含氧中间体（OCs，如*OOH、*O、*OH）时表现出有限的动态适应能力。因此，开发具有多金属协同效应的新型催化剂成为解决这些问题的关键。

近日，来自吉林大学郑伟涛教授课题组张伟教授在国际知名期刊Angewandte Chemie上发表题为"Dynamic Spin Governing Asymmetric Coordination Fields in Trimetallic Single-Atom Catalysts for Optimal Oxygen Reduction”的研究文章。该文章提出了一种“动态自旋工程”策略，用于理性设计具有不对称配位场结构的三金属单原子催化剂。通过异质金属位点间的电子协同与空间功能解耦，优化后的FeZnMn-TACs展现出卓越的ORR性能及超长稳定性。借助原位同步辐射与密度泛函理论计算，我们明确了ZnN₃位点的电子供给功能与MnN₄位点的质子供给作用。动态FeNxCy重构触发自旋态从中自旋态向低自旋态的转变，伴随dxz/dyz轨道占据度从50%提升至100%，从而协同优化了PCET过程中*OOH形成与*OH脱附的双重步骤。此外，本研究从原子层面解析了由动态重构驱动的自旋重分布机制，为设计兼具超高活性和运行稳定性的自适应电催化剂确立了新范式。

通过构建FeN₄/ZnN₃/TMN₄的不对称配位场的构建是实现电子协同和空间功能解耦的关键。这种设计不仅优化了ORR中多步PCET动力学限制，还通过动态自旋工程实现了电子结构的动态适应性。

动态重构过程中Fe中心的自旋态从中自旋（MS = 1.5）转变为低自旋（LS = 1.0），并且dxz/dyz轨道占据度从50%增加到100%。这种自旋电子的重新分布显著优化了*OOH的形成和*OH的脱附能垒，实现了不同反应路径的同时优化。

通过原位X射线精细结构吸收光谱和自旋极化密度泛函理论系统地揭示了在电场极化下“配位演化、电荷重新分布和自旋态调制”的跨尺度三元协同作用。这种多尺度的研究方法为理解多金属催化剂的动态电子调控机制提供了新的视角。

基于FeZnMn-TACs的锌空气电池展现出卓越的性能，不仅在功率密度上超越了传统商业催化剂，还在实际使用寿命上实现了显著提升，证明了这种新型催化剂在实际应用中的巨大潜力。

Dynamic Spin Governing Asymmetric Coordination Fields in Trimetallic Single-Atom Catalysts for Optimal Oxygen Reduction

张伟教授简介：吉林大学材料科学与工程学院唐敖庆学者-卓越教授、电子显微镜中心主任、测试科学实验中心副主任、英国皇家化学会会士，任Nature出版集团Communications Chemistry执行编委和IOP集团Nanotechnology顾问编委，科睿唯安“全球高被引科学家榜单”（2023，2025）。获吉林省自然科学奖一等奖（2020），吉林省自然科学奖二等奖（2024）。已在Angew Chem Int Ed、JACS、Nano Lett、Acta Mater等权威期刊期刊发表第一/通讯作者论文200余篇，全部论文被引超23000次，H因子81（Clarivate）。主要研究方向为先进材料的电子显微分析、催化和能源材料的表界面化学。

宋可心，于2022年毕业于吉林大学获硕士学位。现为吉林大学博士研究生，导师为张伟教授。主要从事碳基单原子催化剂的设计、合成和应用。研究方向主要集中在新型金属中心和配位环境的开发以及利用先进的原位技术探索单原子催化剂的动态构型现象。