近日，材料科学与工程学院云斯宁教授“新能源材料”团队在无机非金属能源材料高效和资源化利用方面取得重要进展，相关研究成果以“Engineering spin exchange channels via geometry-dependent Ni-O-Co bridge for boosting hydrogen evolution and triiodide reduction（几何构型Ni-O-Co桥构筑自旋交换通道实现高效析氢与碘还原）”为题，发表在国际著名期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》（2026年影响因子为19.7，SCI一区TOP期刊，我校A类期刊）上。云斯宁教授为论文通讯作者，我校硕士研究生刘泽昌和已毕业研究生孙梦龙为论文第一作者，西安建筑科技大学为论文第一单位，合作单位为中国科学院化学研究所和北京交通大学。
精准调控催化剂活性中心的电子结构是提升其本征催化活性的关键。近年来，自旋态调控逐渐成为电催化领域的重要研究方向，但现有的研究多集中于单一金属位点的自旋调节，相邻金属位点间的自旋交换作用及其与几何构型之间的内在联系仍缺乏系统认识。特别是不同金属-氧-金属连接方式如何影响轨道重叠、自旋交换及催化行为，是亟待解决的重要科学问题。
针对上述问题，研究团队利用尖晶石氧化物中四面体（Td）和八面体（Oh）晶格位点的结构差异，精准调控Co和Ni的占位，分别构筑Ni-ZnCo2O4（NZCO）和Ni-CoAl2O4（NCAO），建立了近90°的NiOh-O-CoOh和近150°的NiOh-O-CoTd自旋交换通道。研究发现：NiOh-O-CoTd构型能够形成更有效的金属d轨道与O 2p轨道重叠，增强电子交换和自旋耦合，从而显著改善催化反应动力学。基于这种几何依赖的自旋调控，NCAO在太阳电池中的光电转换效率由本体CAO的5.03%提高至7.65%；在电解水制氢中，达到10 mA·cm-2电流密度所需过电位由165 mV降低至88 mV。原位X射线发射光谱和原位红外光谱进一步揭示了不同自旋交换通道在实际反应过程中的动态演化机制。
利用尖晶石氧化物中四面体和八面体两种晶格位点，构筑NiOh-O-CoOh和NiOh-O-CoTd两种不同的自旋交换通道，为电催化剂自旋电子结构的精准调控提供了新策略。此外，原位光谱研究从动态电子结构和界面反应层面建立了自旋演化与催化行为之间的直接联系，为深入理解自旋交换调控能源催化反应机制提供了实验依据，为从原子尺度设计高效功能催化剂提供了全新的研究思路。
期刊链接：
https://www.sciencedirect.com/journal/applied-catalysis-b-environment-and-energy
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.127253
