在鈷（Co）基催化劑中，電子自旋狀態的調節是一種分子激活的有效策略。由于長期秩序的破壞和電子結構的改變，晶體與非晶界面通常表現出獨特的催化性能。然而，界面處的分子激活和自旋態的機制仍然難以捉摸。

2025年1月26日，清華大學彭悅副研究員在國際知名期刊Nature Communications發表題為《Modulation of Co spin state at Co₃O₄?crystalline-amorphous interfaces for CO oxidation and N₂O decomposition》的研究論文，Yunpeng Long為論文第一作者，彭悅為論文通訊作者。

彭悅，清華大學環境學院副研究員。2009年和2012年碩博畢業于吉林大學，2012-2017年先后在清華大學、美國佐治亞理工學院從事博士后研究，2017年加入清華大學。

彭悅的主要研究領域為1.大氣污染控制；2.環保功能材料的密度泛函計算。

在本文中，作者報道了一種基于四氧化三鈷（Co₃O₄）的催化劑，其具有晶體-非晶界面。

系列表征分析證實，四面體Co²⁺是從塊狀大尖晶石中選擇性蝕刻得到，在表面形成非晶態CoO島。在配位場中產生的對稱性破裂導致了CO³⁺3 d軌道的重構，從而導致高自旋態的形成。在CO氧化中，該界面充當具有較低能壘的新型活性位點，并由晶格氧激活促進。在N₂O分解中，界面通過量子自旋交換相互作用促進解離氧的重新關聯。

本工作提供了一種直接調節界面自旋狀態的方法，并闡明了它們在分子活化中的作用。

圖1：批量結構表征

圖2：電子結構表征

圖3：Co₃O₄和Co₃O₄-AT5的催化性能

圖4：密度泛函理論（DFT）計算

綜上，作者研究了一種具有晶體-非晶界面的Co₃O₄尖晶石基催化劑，通過堿液處理和煅燒制備，重點探討了其在CO氧化和N₂O分解反應中的性能及作用機制。

研究發現，晶體-非晶界面的形成導致Co³⁺的3 d軌道重構，誘導高自旋態的產生，從而降低了CO氧化的能壘，并通過量子自旋交換相互作用促進了N₂O分解中解離氧的重新結合。結果表明，經過處理的催化劑在CO氧化和N₂O分解反應中展現出顯著提升的活性和穩定性。

該研究不僅提供了一種簡單有效的調節界面自旋態的方法，還闡明了晶體-非晶界面在分子激活中的關鍵作用，為設計新型高效催化劑提供了理論依據和實驗指導。

這種催化劑在處理含氧分子的催化反應中表現出色，如CO氧化和N₂O分解，對于減少溫室氣體排放、提高能源利用效率具有重要意義，有望在環保和可持續能源領域得到廣泛應用。

Long, Y., Zhu, X., Gao, C.?et al.?Modulation of Co spin state at Co₃O₄?crystalline-amorphous interfaces for CO oxidation and N₂O decomposition.?Nat. Commun., (2025).