近日，物理学院周金元教授其博士毕业生张超岳（现为加州大学洛杉矶分校博士后）及其合作者在国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》（JACS） 发表了题为“Metal Doping Activation of Anion-Mediated Electron Transfer in Catalytic Reactions”（J. Am. Chem. Soc.，2025， DOI：10.1021/jacs.4c18236）的研究论文。张超岳博士为论文第一作者，周金元教授与西班牙加泰罗尼亚能源研究所的Andreu Cabot教授为通讯作者。这是继课题组在《JACS》（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 34, 18992–19004），《Advanced Materials》（Adv. Mater. 2024, 36, 2400810.）和《Angew》（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202211570）上发表系列研究之后的又一重要突破，为催化领域提供了新的理论视角，填补了d带中心理论在催化反应电子转移机制中的研究空白。
研究背景：催化剂设计的核心挑战
催化反应是现代能源转化与存储技术的核心，涉及锂硫电池、燃料电池、金属空气电池等多个领域。然而，现有的催化剂优化大多依赖经验性试错方法，缺乏系统的理论指导。d带中心理论（d-band center theory）作为催化研究的经典模型，在解释过渡金属催化剂的活性方面取得了重要进展，但其核心假设是金属原子直接与反应物发生相互作用，而对于催化过程中由阴离子（如S、O）主导的电子转移，该理论的适用性仍存在局限性。
图1 文章机理图
研究创新：金属掺杂调控阴离子电子转移，实现催化性能突破
本研究通过构建过渡金属元素钴（Co）掺杂二硫化钼（MoS2）催化体系，结合同步辐射X射线吸收谱（XAS）、电子自旋共振（ESR）和密度泛函理论（DFT）计算，首次揭示了金属掺杂如何通过调控阴离子（S）电子密度来增强催化性能。研究发现，Co掺杂不仅改变了MoS2的电子结构，还诱导了自旋极化电子的定向转移，增强了S阴离子的电子供给能力，从而提高了锂硫电池硫还原反应（SRR）的催化效率。此外，作者为了推广这种现象以及结论的普适性，研究了20种过渡金属元素掺杂MoS2，发现了其与催化效率的线性规律。
更重要的是，该研究发现的金属掺杂诱导阴离子电子转移机制在氢析出反应（HER）等其他催化体系中同样适用，表明其具有广泛的应用前景。 这一突破性的理论发展，弥补了传统d带中心理论在解释阴离子主导催化反应方面的不足，为过渡金属催化剂的设计提供了新的理论依据。
图2 文章所研究的不同种类的过渡金属元素掺杂MoS2
本研究不仅拓展了催化理论的边界，也为高效催化剂的理性设计提供了新的思路。 未来，课题组将进一步探索其他过渡金属掺杂体系在催化反应中的作用，并结合实验和理论方法，推动新能源催化技术的发展。
原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c18236
