铁基催化剂在医学、能源和环境科学等各个领域都至关重要。它们促进了对生产药品、清洁燃料和分解污染物至关重要的反应。

这些催化剂的作用是将分子定向转化为所需产品，并且可以使用节能、环保的方法来实现。这些铁基催化剂的化学性质取决于铁的氧化态和自旋态，改变其中任何一种状态都会导致截然不同的反应性和产品。

催化领域的持续挑战是利用这些不同的状态来提高反应性或转化发生的速率，同时保持特异性，以生成大多数所需的产品。

具体来说，铁(IV)-氧合络合物是参与各种氧化反应(例如甲烷转化为甲醇)的高活性中间体。已知铁(IV)-氧合催化剂具有 S = 2 或 S = 1 自旋态，其中 S = 2 自旋态通常更具活性。

一种长期存在的理论被称为双态反应模型，该模型认为，具有 S = 1基态的催化剂可以在不同的自旋态之间切换以驱动反应。该理论的一个组成部分是，这两个自旋态之间的能量分离应该与氧化反应性相关。

探索这一机制的一大挑战是，这些自旋态之间的能量差异从未通过实验测量过。测量这种激发能量的困难有两个方面：这些状态之间的跃迁是自旋禁阻的，导致强度低，而且它们的能量预计很低，超出了标准光谱技术的范围。

马克斯普朗克化学能转换研究所和马普研究所的研究人员目前在对双态反应机制的理解上取得了重大突破。

通过结合先进的光谱技术：共振非弹性X射线散射(在柏林材料和能源中心的 BESSY II PEAXIS 光束线收集)和磁性圆二色谱，研究人员能够直接测量这些复合物中难以捉摸的三重态五重态激发能量。

这项研究发表在《科学进展》上。其意义重大：通过对这一关键激发进行实验测量，科学家现在可以改进他们的理论模型，从而设计出更高效、更具选择性的催化剂。

据我们所知，这项工作还展示了第一个测量分子催化剂中低能自旋禁阻跃迁的实验方法。