O₂吸附是多相催化氧化和氧电催化过程中的关键步骤，其吸附行为与其他含氧中间体的结合强度以及整体反应活性密切相关。因此，深入理解O₂吸附的影响因素对于高效催化剂的理性设计至关重要。基态为自旋三重态的O₂分子的电子自旋特性是决定其与催化剂相互作用的关键因素之一。人们已经发展了诸多策略来调控催化剂的自旋性质，但这样做的同时往往又伴随着催化剂化学组成的改变，使得真正的自旋调控作用难以被明确抽取出来。此外，传统催化研究通常依赖系综平均的表征手段，难以获得位点特异性信息，因而限制了对O₂吸附中自旋效应微观机制的深入理解。现代表面化学为揭示O₂吸附中自旋调控作用的微观机制提供了新的契机。借助扫描隧道显微镜（STM）、扫描隧道谱（STS）和原子力显微镜（AFM）等技术，人们不仅能够在原子尺度上精准构筑具有明确自旋构型的模型体系，还可以对表面气体分子的吸附与转化过程及其自旋依赖性进行高分辨表征。

Ni被广泛用于O₂催化活化，其自旋态作用至关重要。近日，吴凯和刘婧团队综合利用STM、STS与AFM实验技术和密度泛函理论计算，基于可控构筑的表面化学模型体系研究了不同自旋态Ni配位中心对O₂的选择性吸附行为。该团队在Au(111)表面成功构筑了由高自旋态Ni（Ni^H）和低自旋态Ni（Ni^L）交替排列的金属有机链，Ni配位中心处于高度相似的化学环境、却呈现出截然不同的自旋态，为研究O₂吸附的自旋效应提供了理想的模型。该团队的研究表明，O₂选择性吸附到Ni^H中心（图1）。这一分子吸附的自旋选择性源于Ni^H和Ni^L迥异的d电子构型，显著影响了O₂和Ni之间的电子态杂化。同时，Ni^H与O₂分子结合的稳定性更高，驱使NiL在吸附O2时发生自旋态转变；这在动力学上是不利的，因而进一步增强了O₂-Ni^H的选择性结合。该研究为O₂吸附的自旋调控作用提供了直接实验证据，在原子水平上探究了O₂与含Ni配合物之间相互作用的自旋调控机制。

图1. O₂ 在Ni^H中心的选择性吸附及其机制示意图。

上述研究结果近期发表于Journal of the American Chemical Society（J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 2876-2882；https://doi.org/10.1021/jacs.5c18920） ，小组林宇轩博士、潘金亮博士和深圳技术大学王智宇为共同第一作者；陈其伟博士、刘婧博士、吴凯教授及深圳技术大学林涛副教授为共同通讯作者。该研究得到了基金委和科技部的基金资助。

排版：高杨
审核：牛林，刘志博