Nat. Nanotechnology鐵磁性單原子自旋催化劑促進水分解

一、【導讀】

? ?近年來，利用可再生電力進行水電解產氫引起了全球范圍內的廣泛關注，因為基于氫的經濟模式代表了應對不斷增長的碳排放和氣候變化問題的最佳能源替代方案之一。然而，通過水電解高效產氫的瓶頸在于析氧反應（OER）的緩慢動力學過程，以及使用稀缺的貴金屬電催化劑。OER的緩慢動力學可以歸因于一個多電子轉移過程，涉及到三線態分子氧（↑O=O↑）的形成和自旋改變。盡管已經付出了大量的努力，但設計高效穩定的非貴金屬OER自旋催化劑，以獲得豐富的活性位點來優化氧中間體的吸附/解吸強度，仍然是一個主要挑戰。研究表明OER自旋催化劑可以通過輕度外部磁場來增強反應，進一步提高水分解的整體效率，以實現綠色H₂產生。迄今為止，對磁場增強（MFE）進一步提高水電解效率的基本理解仍然難以捉摸。因此，合理設計具有原子級精確活性位點的異質自旋催化劑，以實現巨大的磁場增強效應，并最大化原子和能量效率，是目前創建與工業相關的水電解關鍵技術研究之一。

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二、【成果掠影】

? ?近日，新加坡國立大學Jiong Lu，中山大學Xin Luo，淡江大學Cheng-Hao Chuang，新加坡科技研究局（A*STAR）Shibo Xi等人設計一種可擴展的水熱方法，通過原位的酸性環境在MoS₂主體上負載各種具有廣泛可調的磁性原子（M1）的單原子自旋催化劑（SASC）。相關的研究成果以“Ferromagnetic single-atom spin catalyst for boosting water splitting”為題發表在Nature Nanotechnology上。

三、【核心創新點】

1、作者報告一種通用且可擴展的方法來合成一系列單原子自旋催化劑，這些催化劑由嵌入在MoS₂主體中的替代磁性原子（M1）組成。在所有M₁/MoS₂物種中，Ni₁/MoS₂采用畸變的四方晶體結構，促使其與附近的S原子以及相鄰的Ni₁位點發生鐵磁耦合，從而導致全局的室溫鐵磁性。

2、Ni₁/MoS₂催化劑內部的鐵磁耦合有利于OER中的自旋選擇性電荷轉移和三線態分子氧（↑O=O↑）的形成。此外，約為0.5 T的磁場可使Ni₁/MoS₂中的氧發生反應磁電流增強約2880％，從而在海水和純水分解電池中實現了出色的活性和穩定性。

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四、【數據概覽】

圖1一系列 M1/MoS2?SASC 的合成與表征。?2023 Springer Nature

圖2 Ni₁/MoS₂的鐵磁性。。?2023 Springer Nature

圖3用于 OER 和水分解的鐵磁性 Ni₁/MoS₂?的巨大磁場增強效應。?2023 Springer Nature

圖4 Ni₁/MoS₂鐵磁性的起源。?2023 Springer Nature

圖5鐵磁 Ni₁/MoS₂?磁性增強的起源。?2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

? ?綜上所述，作者展示了一種通用的、可擴展的方法，用于合成一系列具有廣泛可調負載的SAS（M₁/MoS₂）。高負載M₁/MoS₂還表現出室溫鐵磁性，這是由嵌入MoS₂晶格中的相鄰NiS₄位點之間的鐵磁性耦合引起的，提供了巨大的OER活性MFE。在水分解電池中，M₁/MoS₂在高達502 mT的磁場下具有優異的催化性能，在1.5-1.8 V范圍內，比沒有施加磁場時的電流密度高約一個數量級，優于商用IrO₂催化劑。此外，M₁/MoS₂作為OER催化劑在純水和海水分裂電池中的穩定性也優于IrO₂，顯示了其在實際海水分裂技術中的巨大潛力。這項研究中的鐵磁性SASC提供了強大的磁電效應，將有助于加速純水和鹽水的電解工業化進程。

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原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41565-023-01407-1

本文由K . L撰稿。