江西師范大學袁彩雷團隊Nano Letters：交變磁場調制鐵磁性鈷單原子催化劑磁加熱效應增強析氧反應

【導讀】

單原子催化劑因其最大的原子利用率和獨特的催化活性而被認為是最有前景的析氧反應催化劑。目前，許多提升單原子催化劑性能的方法主要是增加單原子負載量，雖然這能夠提高單原子催化劑析氧反應性能，但也不可避免地存在形成團簇問題，這將導致析氧性能急劇降低。

【成果掠影】

近期，江西師范大學袁彩雷教授團隊采用簡單有效的激光分子束外延方法將磁性Co單原子直接錨定在單層二硫化鉬（Co@MoS₂）的Mo頂位。理論計算和實驗結果表明，磁性Co單原子錨定增強了析氧反應性能，誘導了室溫鐵磁特性，這為在交變磁場下的進一步析氧反應測試創造了條件。在此基礎上，利用磁性單原子催化劑在交變磁場下自旋極化翻轉產生的磁加熱，磁性Co@MoS₂的析氧反應性能有了極大提升。總之，本文介紹了一種可行、有效的提高磁性單原子催化劑析氧反應性能的方法，為磁性單原子催化劑的進一步發展提供了一些思路。

【核心創新】

要點1

成功利用激光分子束外延方法制備了Co@MoS₂的單原子催化劑。實驗測試和理論計算表明，得益于Co單原子的錨定，Co@MoS₂具有比MoS₂更強的析氧反應活性。并且其誘導的室溫鐵磁特性有利于在磁場作用下氧原子的平行自旋排列，加快析氧反應速率。

要點2

在此基礎上，采用交變磁場調制Co@MoS₂析氧反應性能，結果表明，與未使用交變磁場時相比，磁性單原子催化劑的析氧反應性能顯著改善，這可以歸因于自旋極化翻轉和自旋相關動力學產生的磁加熱，從而極大提高了析氧反應活性。

【數據概覽】

圖1.(a)單層MoS₂的HAADF-STEM圖像。(b)單層MoS₂（頂部）和Co@MoS₂（底部）的晶格結構圖像（側視圖）。(c)Co@MoS₂的HAADF-STEM圖像。(d)從(c)中用矩形標記的選定區域獲得的EELS圖。(e)Co@MoS₂的部分放大HAADF-STEM圖像。(f)Co@MoS₂的結構示意圖（俯視圖）。(g)Co@MoS₂的模擬HAADF-STEM圖像。(h)分別在實驗STEM圖像(e)和模擬STEM圖像(g)中用綠色矩形標記和藍色矩形標記的選定區域的HAADF強度分布圖。

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圖2. (a)Co@MoS₂的析氧反應機制示意圖。(b)在U=0V時MoS₂和Co@MoS₂的四電子的吉布斯自由能。(c)MoS₂的態密度計算結果。(d)Co@MoS₂的態密度計算結果。(e)MoS₂和Co@MoS₂在300 K時的面內磁滯曲線。(f)磁場下Co@MoS₂自旋極化示意圖，顯示氧原子的平行自旋排列(上)及其在電催化析氧反應過程中的應用(下)。

圖3. (a)在頂部的插圖中，沿著MoS₂模型提取的自旋密度分布圖。(b)在頂部的插圖中，沿著Co@MoS₂模型提取的自旋密度分布圖。(c)Co@MoS₂在H_∥1、H_∥2、H_⊥和靜磁場作用下的極化曲線。(d)Co@MoS₂在H_∥1、H_∥2、H_⊥和靜磁場下的塔菲爾斜率圖。(e)在H_∥1和H_∥2方向的平行靜磁場下鐵磁Co@MoS₂上自旋極化的示意圖。(f)利用鐵磁單原子催化劑的自旋極化翻轉產生的磁熱，交變磁場促進Co@MoS₂析氧反應過程的示意圖。

圖4. (a)在交變磁場下鐵磁性Co@MoS₂的電化學析氧反應裝置示意圖。(b)MoS₂、IrO₂和Co@MoS₂有無交變磁場下的極化曲線。(c)MoS₂、IrO₂和Co@MoS₂有無交變磁場的塔菲爾斜率圖。(d)有無交變磁場的Co@MoS₂的EIS測試；插圖是擬合等效電路。(e)Co@MoS₂的磁熱開關行為。

圖5.?(a)Co@MoS₂的16小時交變磁場輔助j?t測試。(b)Co@MoS₂在交變磁場輔助j?t測試后的HAADF-STEM圖像。(c)Co@MoS₂在交變磁場輔助j?t測試前后的S 2p?XPS光譜。(d)Co@MoS₂在交變磁場輔助j?t測試前后的Mo 3d XPS光譜。

文章鏈接如下

Doi：10.1021/acs.nanolett.2c03359