第一作者：张飞翔，王攀硕
通讯作者：李顺方教授，任晓燕副教授
通讯单位：郑州大学
论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56863-1
近日，郑州大学物理学院、中原之光实验室李顺方教授团队在二维多铁材料室温催化研究方面取得重要进展，把二维多铁性材料和单原子催化剂设计两个领域融会贯通，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，对于开发系列新型室温、高效、单原子尺度催化剂提供了重要理论借鉴和新思路。
A、
二维多铁性材料
多铁性材料因其“单相多性”（即一个材料同时具备铁磁、铁电、铁弹性等两种或以上特性）的独特物理性质和广阔的应用前景而备受关注。对多铁性材料的研究可以追溯到二十世纪五十年代，Smolenskii等人建议在铁电性钙钛矿中引入磁性离子，以创造具有磁性长程序的固溶体，同时又不失去铁电序。在基础物理研究中，维度是一个重要的概念，不同的维度会对材料性质产生重大影响，例如二维石墨烯及其独特的物理性质。同样，在多铁性材料家族中，二维多铁性（2D-MFs）材料因其在二维尺度的单相中具有两种或两种以上铁性序，而成为备受关注的材料，其在物理、材料以及微电子器件等交叉领域具有广阔的应用前景。
研究的范围：当前对于二维多铁性材料的研究集中于发现新型二维多铁性材料、二维多铁性材料物理性质、以及电子器件的应用等方面。
B、
单原子催化剂
开发高效催化剂是当今人类社会生产中面临的重要课题。从维度和尺寸上划分，历史上，催化剂大致经历从宏观三维块体催化剂表面催化到纳米催化、从二维到一维材料催化等。随着现代科技的进步，近十年来，催化剂的设计和制备已经步入单原子尺度时代。我国科学家在此领域做出了卓越贡献：2011年，张涛、李隽等教授团队合作在实验上成功制备出高效率Pt
1
/FeO
x
单原子催化剂体系，从而引领了该领域的蓬勃发展。目前，单原子催化剂已成为催化剂家族中最重要的体系之一，它具备100%的原子利用率、均匀的活性位点以及单一金属原子对特定催化反应具有极强的选择性等性质。对诸多化学反应，比如CO
2
还原反应、CO氧化反应、O
2
还原反应、N
2
还原反应、析氢反应和析氧反应等都有着高效催化作用。催化过程往往伴随着催化剂和反应物之间电荷、轨道、自旋等多自由度上的相互作用。所以，深入研究单原子催化剂活性位点与反应物之间的相互作用规律是发展新型高效单原子尺度催化剂的关键。我们知道当催化剂体系的尺寸降到原子尺寸的时候，其量子效应就会比较显著，比如磁性会明显地增强，因此单原子催化剂是我们在电荷、轨道和自旋等多个自由度上研究催化机制的绝佳“物理平台”。
研究的范围：当前对单原子催化剂体系的研究主要集中在其活性位点覆盖度、稳定性、选择性和催化效率方面。
两个研究领域交叉的地方存在巨大的科研宝库，对于二维多铁性材料来说，各种新型的多铁性材料正在被理论和实验提出并证实。对于单原子催化剂来说，相关研究更是呈现百花齐放的状态。但是，二维多铁性材料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，使用多铁性材料充当单原子催化剂的尝试也少之又少。二维多铁性材料的铁电、铁磁等多重自由度耦合能否达到“1+1>2”?的催化效果，特别是，能否达到室温条件下高效率催化是一个物理、化学、材料等交叉学科共同关心的重要科学问题。
本文作为纯计算研究，并未采用复杂的计算方法，这完美诠释了“科研中最简单的部分是做研究，其次是写文章，最难的是想出好的研究思路（idea）”这一观点。具体细节在此不再赘述，感兴趣的读者可阅读原文，欢迎交流探讨。以下简要介绍本研究的亮点：
A、将二维多铁性材料用于催化CO氧化，这是一个创新性的尝试。
图1. Cr(h-fpyz)
2
的几何和电子结构。在(a)中，弯曲的红色箭头表示h-fpyz配体的倾斜方向。这里，原始晶胞的中心和边缘Cr原子分别称为Cr
I
和Cr
II
，其余的Cr原子称为Cr
III
。短红色箭头表示h-fpyz分子的偶极子。在(b)中，展示了磁矩的大小和方向。(c) Cr(h-fpyz)
2
的侧视图。(d) Cr(h-fpyz)
2
的能带结构和投影态密度（PDOS）。(e) O
2
在Cr(h-fpyz)
2
上吸附的最佳局部结构的侧视图。
B、在二维多铁性材料Cr(h-fpyz)
2
中，不同的吸附位点因为其周围的极性环境不同从而产生不同方向的局域电场，进一步影响O
2
分子吸附过程中衬底与O
2
之间的电荷和自旋的转移。
图2. O
2
吸附时的局域电场（LEF）、电荷转移（Δρ）和磁矩变化（ΔM）。在原始二维室温磁性Cr(h-fpyz)
2
中，通过两种代表性类型的Cr活性原子（Cr
I
和Cr
III
）的Z方向上的局域电场（LEF）分布，以及在O
2
分子吸附到Cr活性位点时的电荷转移（Δρ）和磁矩变化（ΔM）。图(a)至(c)为Cr
I
的情况，图(d)至(f)为Cr
III
的情况。
C、在二维多铁性材料Cr(h-fpyz)
2
中催化CO氧化势垒仅为0.325 eV，室温下反应速率为3.47×10
6
s
−1
。
图3 . CO氧化的催化路径。在Cr(h-fpyz)
2
的Cr
I
活性位点上，通过Eley-Rideal（E-R）机制实现O
2
活化和CO氧化的最低能量路径，并标注了能量活化势垒（E
bar
）。其中，*O
2
(O)表示O
2
(O)在催化底物上的吸附。CO--*O
2
(O)和CO-*O
2
(O)分别对应于CO与吸附的O
2
(O)物种之间的相对弱和强相互作用。
D、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，O
2
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O
2
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，催化效率在室温下比Cr(pyz)
2
提高6个数量级。此外，我们发现可以通过对其活性位点配位分子的旋转，实现对催化反应的开关控制。
图4 . 配体旋转对局部电场（LEF）和决速步势垒（E
bar
）的影响。(a) 多铁性Cr(h-fpyz)
2
与单铁性Cr(pyz)
2
上吸附O
2
后沿基底法线方向的一维局部电场分布。插图展示了吸附O
2
分子上方及过渡态CO-O
2
物种的二维静电势分布。(b) 在图(a)中禁止有机配体旋转及Cr原子移动（w/o R）情况下的局域电场。(c) 允许/禁止有机配体旋转及Cr原子移动（w/ R（w/o R））的情况下CO氧化反应的决速步势垒（E
bar
）。(d) 多铁Cr(h-fpyz)
2
与单铁Cr(pyz)
2
上CO氧化反应速率的自然对数和图(c)中对应势垒的关系。
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0.325 eV，室温下反应速率为3.47×10
6
s
−1
，比其单铁性衍生物Cr(pyz)
2
催化剂的反应速率高出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O
2
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，O
2
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O
2
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。该研究从物理科学角度阐明了二维多铁材料的室温催化机理，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。
郑州大学李顺方教授课题组长期致力于第一性原理计算在新材料生长机理、新物性及量子调控方面的研究。诚挚欢迎各类优秀人才加盟郑州大学物理学院和本课题组，共同发展；诚挚欢迎优秀学子报考本课题组硕士和博士研究生（
https://www7.zzu.edu.cn/simlab/
）。
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