电子自旋调控催化是一种通过操控催化反应中电子的自旋态来调节反应路径和产物选择性的前沿策略。
这种策略利用自旋极化、电磁场或磁性材料界面调控反应中间体的吸附、转化和解离过程，从而提升催化效率与选择性。尤其在氧还原反应（ORR）、氮还原反应（NRR）和二氧化碳还原反应（CO2RR）等自旋敏感反应中表现出显著优势。
随着自旋相关表征手段与理论模拟的发展，自旋催化为构建高效、低能耗的新型催化体系提供了全新的物理机制和设计思路。
电子自旋是电子的内禀属性，由电子的内部角动量产生。在催化反应中，电子自旋状态对反应动力学和选择性具有重要影响。例如，在过渡金属基催化剂中，d轨道在配体场作用下发生能级分裂，形成低能的t₂g轨道（三重简并）和高能的e_g轨道（双重简并）。
这种能级分裂导致电子自旋态的改变，从而影响氧析出反应（OER）和氧还原反应（ORR）的活性。此外，自旋极化电子转移在催化反应中至关重要，如Fe-N-C催化剂中Fe位点的自旋极化电子促进ORR活性提升。
通过引入应变、配体调节、元素掺杂等手段改变eg轨道电子占有率，从而优化对关键中间体的吸附能。例如，S掺杂Fe-N-C诱导Fe中心自旋极化，从而提高ORR活性。
在铁磁性/顺磁性催化剂体系中，施加外磁场可以改变催化剂的电子自旋状态，调控自旋依赖的电子转移过程，影响反应路径和产物选择性。例如，外磁场在亚铁磁性Fe3O4电催化水氧化中展现出对pH的依赖性，促进O-O成键生成氧气。
通过手性分子或材料诱导自旋选择性，从而影响电子转移过程。例如，Zn-porphyrins和triarylamines作为手性半导体涂层，通过自旋选择性效应显著抑制H2O2的生成，同时提高水裂解效率。
在拓扑材料中，如HgTe/CdTe量子阱，通过量子自旋霍尔效应和边缘态催化，展示了自旋调控的潜力。
在ORR中，自旋调控通过影响Fe位点的自旋极化电子转移，显著提升催化活性。例如，Fe-N-C催化剂中Fe位点的自旋极化电子促进ORR活性提升。此外，双金属原子催化剂（如Fe,Zn/N-C）通过调节电子自旋状态，优化中间体与活性中心之间的轨道相互作用，从而提高ORR的活性和稳定性。
在CO2RR中，自旋调控能够增强CO2RR活性并抑制竞争副反应的发生。例如，OD-Cu催化剂中特有的不对称Cu*-Cu双位点具有反平行的电子自旋排列，能降低C-C成键过程的反应能垒，显著提高C2+产物的法拉第效率和选择性。
在NRR中，自旋调控同样表现出重要作用。例如，通过操纵自旋极化提升了电催化剂的性能，且自旋效应在NRR中能够发挥作用。
单原子自旋催化剂通过调控单原子的自旋态，显著提升催化性能。例如，Pt-Fe单原子合金催化剂通过双活性位打破含氧中间体吸附能之间线性关系，提高OER/ORR活性。
高熵合金自旋催化剂通过调控合金的自旋态，显著提升催化性能。例如，高熵合金自旋催化剂通过调控合金的自旋态，显著提升催化性能。
TMDs通过元素掺杂和自旋-能谷锁定效应实现自旋态调控，优化催化性能。例如，TMDs通过元素掺杂和自旋-能谷锁定效应实现自旋态调控，优化催化性能。
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