Nat.Commun:手性電催化劑增強OER活性

一、【導讀】

? 近年來，析氧反應（OER）仍然是許多電催化和電化學過程中的重要瓶頸，包括水電解、電化學還原CO₂、電池和燃料電池的交換膜等。陽極電催化劑上分子氧的生成被認為是在其表面通過許多可能的自由基中間體實現，即吸附的*OH，*O和*OOH。OER的整個反應是一個四電子、四質子的過程，并已提出了許多機理方案。然而，由于OER涉及的總體復雜性，大量工作集中在開發簡化模型以指導催化劑設計上（火山圖，軌道的占用確定最佳性能等）。盡管以往的策略在推進催化劑設計方面取得了重大進展，但這些模型往往忽略了電子自旋對反應動力學的作用。由于雙原子氧的基態是以三元態存在，自旋約束會影響基本反應步驟。因此，實現電子自旋提高OER催化活性是一種非常有趣且具有實際意義的研究。

二、【成果掠影】

? 近日，匹茲堡大學David H.Waldeck教授團隊發現通過手性誘導自旋選擇性（CISS）效應控制對電解過程中反應中間體自旋排列，從而提高催化劑的性能和效率。相關的研究成果以“Chiral electrocatalysts eclipse water splitting metrics through spin control”為題發表在Nature Communications上。

三、【核心創新點】

? 1、作者通過CISS效應實現了自旋排列。OER的改善表現為：相比組成類似的非手性納米催化劑，手性納米催化劑提高了法拉第效率、降低了反應過電位和改變了速率決定步驟。

? 2、這項研究揭示了手性電催化劑表面的自旋排列是提高高性能催化劑OER效率的可行策略，并且催化劑自旋極化自由基表面中間體的能力應該是一個重要的OER催化劑設計標準。

四、【數據概覽】

圖1 催化劑的表征。未摻雜(黑色)、5%(綠色)、10%(藍色)和23%(紫色)鐵摻雜Rac-(淺色，虛線)和L-鈷氧化物(深色，實線)納米顆粒的吸光度(a)和圓二色(b)光譜。（c、d）分別顯示 L-氧化鈷和 Rac-氧化鈷催化劑的代表性 STEM 圖像。邊框的顏色與 (?a?,?b?) 中使用的顏色編碼相同。 ?2023 The Author(s)

圖2 伏安特性。（a?–?d）未摻雜（黑色）和 5%（綠色）、10%（藍色）和 23%（紫色）鐵摻雜 Rac-（虛線）和 L-氧化鈷（實線）納米顆粒在 1 M NaOH中測量的線性掃描伏安圖。（e）Rac-（空心符號）和 L-氧化鈷（實心符號）在 10 mA cm^-2 時的相應過電勢。?2023 The Author(s)

圖3 催化活性和表征。（a、b）未摻雜（黑色）和 5%（綠色）、10%（藍色）和 23%（紫色）鐵摻雜 Rac-（空心）和 L-鈷氧化物（實心）納米顆粒催化劑在1 M NaOH電解質溶液中的質量活性（MA）和比活度（SA）。（c）未摻雜（黑色）和 23% Fe 摻雜（紫色）手性催化劑在 1 M NaOH（水平破折號）和 0.1 M pH 10 碳酸鈉（虛線）和0.02 M pH 8 磷酸鉀（交叉影線）緩沖溶液的法拉第效率。（d–g）分別為未摻雜和 5%、10% 和 23% 鐵摻雜 Rac-（空心符號）和 L-氧化鈷（實心符號）納米顆粒的 Tafel 圖和相應的斜率。?2023 The Author(s)

五、【成果啟示】

? 綜上所述，這項工作探討了通過手性誘導的自旋選擇性效應產生的電子自旋極化在促進OER中的關鍵作用。如果進一步被推廣，手性納米顆粒催化劑將可以用于大表面積電極和更大規模的反應，而不會造成損失或阻礙自旋選擇性。并且，這項研究預計自旋極化電子流會影響許多其他反應的選擇性和效率,也間接的為更多電催化劑的設計開創新的路徑和方向。

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原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36703-w

本文由K . L撰稿。