近日，我院计算物理与量子能源材料设计团队在二维多铁材料室温催化研究方面取得重要进展。相关研究成果以“Highly enhanced room-temperature single-atom catalysis of two-dimensional organic-inorganic multiferroics Cr(half-fluoropyrazine)₂for CO oxidation”为题，发表在国际权威期刊《Nature Communications》上。郑州大学物理学院为第一单位和通讯单位，我院硕士研究生张飞翔、青年教师王攀硕副研究员为共同第一作者，通讯作者为我院任晓燕副教授和李顺方教授。

开发室温环境条件下的高效催化剂是物理、化学、材料等交叉学科中的重要科学问题和工业生产中全世界共同面临的重要挑战。近年来蓬勃发展的二维多铁性材料(Two-dimensional multiferroics, 2D-MFs)，由于其“单相多性”（一个材料相同时拥有铁磁、铁电、铁弹性要素中的二者之上）的独特物理性质和广阔的应用前景，使其在物理、材料以及微电子器件等交叉领域倍受关注。然而，2D-MFs在催化方面的潜在应用和微观物理机制的相关研究尚属空白。因此，在原子尺度上深入研究多铁性材料的表面活性和催化性能不仅对理解多铁性材料在铁电、自旋、晶格、轨道等多角度耦合的物理机制具有重要的科学价值，也对发展基于多铁性材料的新型室温高效催化剂提供了新的视角和平台。

该研究团队基于密度泛函理论的第一性原理计算研究方法，以二维室温多铁性材料Cr(h-fpyz)₂(h-fpyz=half-fluoropyrazine) (同时具有反铁电性和亚铁磁性)为研究对象，以自旋三重态的O₂激发和CO催化反应为例，系统研究其催化性能和相关物理机制。研究发现，二维多铁性材料Cr(h-fpyz)₂作为单原子催化剂能在室温下高效催化CO氧化反应。反应势垒仅为0.325eV，室温下反应速率为3.47×10⁶s⁻¹，相比其衍生物Cr (pyz)₂单铁性催化剂的反应速率增强6个数量级。对催化过程微观物理机制的深入研究表明，二维多铁性材料Cr(h-fpyz)₂的室温高效催化性能归因于极化和自旋两个自由度的协同效应：首先，在Cr (h-fpyz)₂中，半氟化吡嗪环（h-fpyz）转动对于催化反应具有显著的开关效应，其灵活的配体旋转增强了活性位点Cr原子和吸附O₂分子之间的电荷转移和自旋耦合，促进了自旋三重态的氧气分子向激发态的自旋单重态转变和活化。此外，由于多铁性材料Cr(h-fpyz)₂中Cr单原子活性位点周围特殊的极化环境，O₂分子吸附后诱导出比其在单铁性衍生物Cr (pyz)₂催化剂中显著降低的局域电场，降低了CO极性分子与激发态的O₂分子反应时所受的静电排斥作用，从而导致其在室温下具有高效催化性能。该研究从物理科学视角阐明了二维多铁材料多自由度调控的室温催化机理，表明二维多铁性材料在催化剂领域具有广阔的发展前景，该成果对于开发系列新型高效室温催化剂提供了重要理论借鉴和新思路。

该工作得到了国家自然科学基金区域创新联合基金重点项目、面上项目和青年基金的支持。

全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56863-1