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Nat. Nanotechnology: 铁磁性Ni单原子自旋催化剂促进水分解

时间：2023-05-26 来源：浏览：

Nat. Nanotechnology: 铁磁性Ni单原子自旋催化剂促进水分解

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收录于合集

第一作者：Tao Sun, Zhiyuan Tang, Wenjie Zang

通讯作者：Cheng-Hao Chuang , Shibo Xi, 罗鑫，吕炯

通讯单位：新加坡国立大学，淡江大学，新加坡科技研究局A*STAR，中山大学

【研究亮点】

与磁场结合的异相单原子自旋催化剂可加速化学反应，提高金属利用率和反应效率。然而，由于需要高密度的原子分散活性位点以及短程量子自旋交换作用和长程铁磁有序化，设计这些催化剂仍然具有挑战性。在此，作者设计一种可扩展的水热方法，使用原位的酸性环境来合成MoS ₂ 负载的多种单原子自旋催化剂，并且具有可调控的磁性原子（M ₁ ）。在所有M ₁ /MoS ₂ 物种中， Ni ₁ /MoS ₂ 采用畸变的四方晶体结构，促使其与附近的S原子以及相邻的Ni ₁ 位点发生铁磁耦合，从而导致全局的室温铁磁性。这种耦合有利于析氧反应（OER）中的自旋选择性电荷转移，以产生三线态氧（O ₂ ）。此外，约为0.5 T的磁场可使Ni ₁ /MoS ₂ 中的氧发生反应磁电流增强约2880％，从而在海水和纯水分解电池中实现了出色的活性和稳定性。

【主要内容】

近年来，利用可再生电力进行水电解产氢引起了全球范围内的广泛关注，因为基于氢的经济模式代表了应对不断增长的碳排放和气候变化问题的最佳能源替代方案之一。然而，通过H ₂ O电解高效产氢的瓶颈在于析氧反应（OER）的缓慢动力学过程，而且使用稀缺的贵金属电催化剂。 OER的缓慢动力学可以归因于一个多电子转移过程，涉及到三线态分子氧（↑O=O↑）的形成，并涉及自旋改变。尽管已经付出了大量的努力，但设计高效稳定的非贵金属OER自旋催化剂，以获得丰富的活性位点来优化氧中间体的吸附/解吸强度，仍然是一个主要挑战。此外，OER自旋催化剂可以通过轻度外部磁场来增强反应，进一步提高水分解的整体效率，以实现绿色H ₂ 产生。

自然界已经通过丰富的3 d 金属在光合作用和生物化学过程（例如鸟类迁徙）中演化出优秀的自旋催化作用，其反应动力学可以受外部磁场的影响，通过改变反应物的自旋重复度并允许从自旋禁止的反应途径切换到自旋允许的反应途径。受这一启发，研究人员已经开发了包括铁磁性金属氧化物/金属在内的异质结OER电催化剂，以在外部磁场的作用下提高OER性能。铁磁性OER催化剂通常在外部磁场下产生轻微的氧发生反应电流增强（通常低于200%），因为磁场有利于将氧自由基并行排列，促进三线态分子氧（↑O=O↑）的形成。此外，在OER反应过程中，催化材料中活性位点的表面重构使得建立结构-性能关系变得具有挑战性。到目前为止，由于在这些系统中确定活性位点的挑战，对于进一步提高水电解效率的磁场增强（MFE）的基础理解仍然难以捉摸。

因此，合理设计具有原子级精确活性位点的异质自旋催化剂，实现巨大的磁场增强效应，并最大化原子和能量效率，将有助于创建与工业相关的H ₂ O分解技术。为了实现这一目标，必须同时解决多个挑战，包括能够工程化高密度的活性位点，具有短程量子自旋交换相互作用和长程室温铁磁有序性，以及可以在常见可获得的磁场（例如永久磁铁）下改变的弱相互作用的自旋中心。