江西师范大学袁彩雷团队Nano Letters：交变磁场调制铁磁性钴单原子催化剂磁加热效应增强析氧反应

【导读】

单原子催化剂因其最大的原子利用率和独特的催化活性而被认为是最有前景的析氧反应催化剂。目前，许多提升单原子催化剂性能的方法主要是增加单原子负载量，虽然这能够提高单原子催化剂析氧反应性能，但也不可避免地存在形成团簇问题，这将导致析氧性能急剧降低。

【成果掠影】

近期，江西师范大学袁彩雷教授团队采用简单有效的激光分子束外延方法将磁性Co单原子直接锚定在单层二硫化钼（Co@MoS₂）的Mo顶位。理论计算和实验结果表明，磁性Co单原子锚定增强了析氧反应性能，诱导了室温铁磁特性，这为在交变磁场下的进一步析氧反应测试创造了条件。在此基础上，利用磁性单原子催化剂在交变磁场下自旋极化翻转产生的磁加热，磁性Co@MoS₂的析氧反应性能有了极大提升。总之，本文介绍了一种可行、有效的提高磁性单原子催化剂析氧反应性能的方法，为磁性单原子催化剂的进一步发展提供了一些思路。

【核心创新】

要点1

成功利用激光分子束外延方法制备了Co@MoS₂的单原子催化剂。实验测试和理论计算表明，得益于Co单原子的锚定，Co@MoS₂具有比MoS₂更强的析氧反应活性。并且其诱导的室温铁磁特性有利于在磁场作用下氧原子的平行自旋排列，加快析氧反应速率。

要点2

在此基础上，采用交变磁场调制Co@MoS₂析氧反应性能，结果表明，与未使用交变磁场时相比，磁性单原子催化剂的析氧反应性能显著改善，这可以归因于自旋极化翻转和自旋相关动力学产生的磁加热，从而极大提高了析氧反应活性。

【数据概览】

图1.(a)单层MoS₂的HAADF-STEM图像。(b)单层MoS₂（顶部）和Co@MoS₂（底部）的晶格结构图像（侧视图）。(c)Co@MoS₂的HAADF-STEM图像。(d)从(c)中用矩形标记的选定区域获得的EELS图。(e)Co@MoS₂的部分放大HAADF-STEM图像。(f)Co@MoS₂的结构示意图（俯视图）。(g)Co@MoS₂的模拟HAADF-STEM图像。(h)分别在实验STEM图像(e)和模拟STEM图像(g)中用绿色矩形标记和蓝色矩形标记的选定区域的HAADF强度分布图。

图2. (a)Co@MoS₂的析氧反应机制示意图。(b)在U=0V时MoS₂和Co@MoS₂的四电子的吉布斯自由能。(c)MoS₂的态密度计算结果。(d)Co@MoS₂的态密度计算结果。(e)MoS₂和Co@MoS₂在300 K时的面内磁滞曲线。(f)磁场下Co@MoS₂自旋极化示意图，显示氧原子的平行自旋排列(上)及其在电催化析氧反应过程中的应用(下)。

图3. (a)在顶部的插图中，沿着MoS₂模型提取的自旋密度分布图。(b)在顶部的插图中，沿着Co@MoS₂模型提取的自旋密度分布图。(c)Co@MoS₂在H_∥1、H_∥2、H_⊥和静磁场作用下的极化曲线。(d)Co@MoS₂在H_∥1、H_∥2、H_⊥和静磁场下的塔菲尔斜率图。(e)在H_∥1和H_∥2方向的平行静磁场下铁磁Co@MoS₂上自旋极化的示意图。(f)利用铁磁单原子催化剂的自旋极化翻转产生的磁热，交变磁场促进Co@MoS₂析氧反应过程的示意图。

图4. (a)在交变磁场下铁磁性Co@MoS₂的电化学析氧反应装置示意图。(b)MoS₂、IrO₂和Co@MoS₂有无交变磁场下的极化曲线。(c)MoS₂、IrO₂和Co@MoS₂有无交变磁场的塔菲尔斜率图。(d)有无交变磁场的Co@MoS₂的EIS测试；插图是拟合等效电路。(e)Co@MoS₂的磁热开关行为。

图5. (a)Co@MoS₂的16小时交变磁场辅助j−t测试。(b)Co@MoS₂在交变磁场辅助j−t测试后的HAADF-STEM图像。(c)Co@MoS₂在交变磁场辅助j−t测试前后的S 2p XPS光谱。(d)Co@MoS₂在交变磁场辅助j−t测试前后的Mo 3d XPS光谱。

文章链接如下

Doi：10.1021/acs.nanolett.2c03359