精准调控自旋态：可持续催化领域的创新理念

任伟; 李金河; 朱成章; 王伟康; 刘芹芹

物理化学学报 ›› 2026, Vol. 42 ›› Issue (4) : 17 -42.

任伟, 李金河, 朱成章, 王伟康, 刘芹芹

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摘要

在全球可持续发展与能源环境危机日益加剧的背景下，催化剂的创新正面临关键转折点。电子自旋调控作为一种新兴理念，有望在量子层面重构反应路径，打破传统电子结构与几何构型的限制。本综述阐述了自旋活性中心如何通过调控轨道对称匹配、自旋极化电子转移和过渡态能垒来调节催化反应活性、选择性和效率。涵盖金属氧化物（如Co₃O₄、Y₂Ru₂O₇）、硫化物、合金及配位化合物（如MOF-Co/Cu/Ni）等多种催化材料，我们阐明了如何通过配位工程（掺杂/缺陷引入、配体调控）、价态调制、尺寸控制（量子限域）和外场刺激（磁耦合）等策略实现自旋态调控，实现动态调整d轨道占据数以优化中间体吸附，突破热力学的限制。特定的自旋构型能够加速电荷转移动力学，从而加快决速步的速率并提升整体催化性能。通过将先进的自旋表征与理论计算相结合，本综述总结了在反应中如何通过精准调控的高/低自旋态来实现性能提升，这些反应包括氧还原、二氧化碳（CO₂）还原、析氢、尿素合成及电池相关的反应；并提出了非平衡自旋调控与自旋相关催化将有望成为下一代可持续能源技术的先驱。