近日，西北工业大学黄维院士团队艾伟教授课题组在构建本征磁有序催化剂与锂氧电池自旋守恒研究方面取得突破性进展。研究团队采用晶格拉伸应变工程策略，制备出还原氧化石墨烯负载的应变二硫化钴催化剂（s-CoS₂/rGO），为突破锂氧电池自旋禁阻跃迁的核心瓶颈提供了新方案。该成果以“Strain-Induced Magnetic Ordering Unlocks Spin-Conserved Catalysis in Lithium-Oxygen Batteries”为题，于Advanced Materials期刊发表。

锂氧电池的实际应用受正极氧化还原反应动力学迟缓、副反应频发的严重制约，其核心瓶颈为三重态O₂与单重态Li₂O₂间的自旋禁阻跃迁这一量子力学约束。该跃迁形成的自旋翻转能垒会产生固有能量损耗，成为电池充放电过电位的重要来源，最终导致其能量效率低、可逆性差。当前催化剂设计多聚焦电子结构调制、缺陷工程等方向，却普遍忽视自旋关联电催化的关键维度，未将电子自旋极化与分子轨道对称性进行策略性匹配，使得氧还原（ORR）/氧析出（OER）反应的电子转移过程需消耗大量能量。针对以上问题，艾伟教授课题组报道了通过快速淬火工艺在CoS₂（111）晶面引入约4%的拉伸应变，显著增强其铁磁交换相互作用，驱动磁畴结构从多畴转变为相干单畴，实现了原子磁矩平行排列，同时降低晶格分裂能，促使Co位点由低自旋向高自旋态转变，大幅提升活性位点的未配对电子密度。该重构结构在Co-S活性位点构建了自旋极化选择通道，实现三重态O₂与单重态Li₂O₂间的自旋守恒电子转移，有效规避自旋翻转能垒。电化学测试表明，基于s-CoS₂/rGO正极的锂氧电池在200 mA g⁻¹电流密度下，循环寿命超2000 h，极化显著降低，催化稳定性与效率大幅提升。本研究证实晶格拉伸应变诱导的自旋态调控可实现长程磁有序构建，为过渡金属基铁磁催化剂的设计提供普适性策略，也为自旋电子学电催化在储能电池领域的应用奠定了理论与实验基础。

（应变催化剂结构形态表征）

示意图直观展现了拉伸应变使CoS₂实现多畴向单畴结构、低自旋向高自旋态的转变，完成磁学与电子结构的双重优化。s-CoS₂/rGO的（111）晶面间距从原始的0.311 nm增至0.326 nm，同时（111）晶面特征峰负移，量化出约4%的晶格膨胀，验证了应变引发的键长伸长。

（应变催化剂磁性结构特征及锂氧电池性能测试）

通过多尺度实验表征，系统揭示了晶格拉伸应变对CoS₂磁畴结构、自旋态及自旋极化的调控机制。最终，在200 mA g⁻¹的电流密度和1000 mAh g⁻¹的额定比容量条件下，s-CoS₂/rGO可稳定循环超197圈（2000 h）。该工作通过调控其自旋态与磁畴结构以突破锂氧电池的自旋约束，为锂氧电池的发展和应用提供了新的见解。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.72632

（文字：周振凯 图片：周振凯 审核：王学文）