在外加磁场作用下，铁磁体（ferromagnetic, FM）催化剂可以增强自旋极化析氧反应（OER）的反应动力学。然而，施加磁场需要额外的能量消耗，并为电解槽的设计带来困难。
基于此，新加坡南洋理工大学徐梽川教授等人报道了没有外加磁场时，具有极化磁畴结构的单畴FM催化剂比多畴FM催化剂具有更好的自旋极化OER性能。比较单畴和多畴Fe3O4核时，核-壳型Fe3O4@NiOOH催化剂也表现出相同的pH依赖性变化。结果表明，提高FM催化剂的OER不需要外加磁场。通过DFT计算，作者研究了表面吸附的氧自由基的自旋构型。在OER下，CoFe2O4表面被氧终止。对于CoFe2O4(111)晶体平面图和自旋分布图，所有氧原子都具有与Co原子相同的自旋构型（自旋向上），因此表面吸收的氧自由基具有与金属位点相同的自旋构型。DFT结果表明，单畴FM催化剂上表面吸附的氧自由基具有平行自旋构型的事实。通过研究相邻的两个M-O∙氧自由基在O-O耦合过程中的轨道构型发现，未配对的O Pπ电子处于平行自旋方向，可在交换效应下稳定自旋方向。为使O2在基态翻转，两个自旋方向平行的电子应填满π*反键轨道，然后在σ*中移除一对电子形成O=O键。该途径避免了任何自旋翻转步骤，有利于低动能势垒。因此，优化自旋动力学的单畴催化剂表现出更好的OER性能。在费米区附近，对比Fe 3d轨道，O 2p轨道与Co 3d轨道的重叠更多，表明Co和O之间更畅通的电子通道。Multi-Domain versus Single-Domain: A Magnetic Field is Not a Must for Promoting Spin-Polarized Water Oxidation, Angew. Chem. Int. Ed, 2023, DOI: 10.1002/anie.202301721.https://doi.org/10.1002/anie.202301721.
目前评论：0