近日，我院计算物理与量子能源材料设计团队在二维共价富勒烯体系自旋催化机理研究方面取得重要进展：相关研究成果以“Covalent-bond-linked monolayer fullerene network as a spin spongefor spin-triplet O₂activation and CO oxidation”为题，发表在国际知名物理类期刊《Physical Review B》上。郑州大学为第一单位，我院硕士研究生锁浩勇为第一作者，通讯作者为我院任晓燕副教授和李顺方教授。

碳元素通过不同的成键方式形成丰富的同素异形体，其多样化的几何构型和电子结构展现出各种新奇的物理和化学性质。最近，一种新型二维共价富勒烯材料，即qHP-C₆₀，通过C-C共价键将零维富勒烯C₆₀分子连接形成二维单层准六方相结构被实验成功制备，由于qHP-C₆₀兼具零维和二维材料的优势而引起了科研人员的极大兴趣。从原子层次探究qHP-C₆₀与其他功能材料之间相互作用机理，对于理解二维共价富勒烯体系的物理属性和相关物理化学过程至关重要。

本研究团队基于第一性原理计算方法，首次发现二维qHP-C₆₀网络不仅可以作为稳定过渡金属(TM = Mn、Fe、Co和Ni)单原子的理想载体，并且这些TM₁@qHP-C₆₀体系表现出对自旋三重态O₂活化和CO氧化的高效催化性能；其独特物理机制可以归因于二维qHP-C₆₀在催化反应过程中不仅充当了二维“电荷库”，更重要的是，在满足Wigner自旋选择定则条件下扮演了“自旋海绵”的角色。O₂分子的激发是CO催化氧化的关键步骤：O₂分子吸附过程中往往伴随着催化剂体系的电子转移到O₂分子反键轨道上，削弱O-O键， 同时基态O₂和催化剂发生自旋相互作用，从而实现其自旋三重态到自旋单重态的激发态转变，促进催化反应。研究发现在催化反应过程中，二维qHP-C₆₀贡献的电荷（磁距）(ΔQ(ΔM))与吸附能和势垒之间存在相关性，即ΔQ(ΔM)越大，O₂分子的吸附能越大，CO催化氧化的第一轮势垒越小。另外，虽然化学催化等原子、分子尺度物质相互作用过程中要遵守Wigner等人早在近100年前就提出的自旋选择定则，近年来研究人员也逐渐发现众多化学反应中自旋自由度的定性重要作用，但极难确定其定量效果。本工作中，以CO在Mn₁@qHP-C₆₀单原子催化剂体系上的催化氧化为例，研究团队通过巧妙的定量比较，发现自旋效应在降低CO催化氧化反应势垒方面的作用大约是电荷效应的两倍。研究结果为二维共价qHP-C₆₀体系在自旋催化和相关自旋电子学领域的应用提供重要的理论借鉴。

该工作得到了国家自然科学基金的支持。

全文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.110.125405

图1：二维qHP-C₆₀电荷和自旋效应对于降低CO氧化势垒的定量贡献示意图