Nat. Nanotechnology铁磁性单原子自旋催化剂促进水分解

一、【导读】

   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，通过水电解高效产氢的瓶颈在于析氧反应（OER）的缓慢动力学过程，以及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↑）的形成和自旋改变。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。研究表明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H₂产生。迄今为止，对磁场增强（MFE）进一步提高水电解效率的基本理解仍然难以捉摸。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，以实现巨大的磁场增强效应，并最大化原子和能量效率，是目前创建与工业相关的水电解关键技术研究之一。

二、【成果掠影】

   近日，新加坡国立大学Jiong Lu，中山大学Xin Luo，淡江大学Cheng-Hao Chuang，新加坡科技研究局（A*STAR）Shibo Xi等人设计一种可扩展的水热方法，通过原位的酸性环境在MoS₂主体上负载各种具有广泛可调的磁性原子（M1）的单原子自旋催化剂（SASC）。相关的研究成果以“Ferromagnetic single-atom spin catalyst for boosting water splitting”为题发表在Nature Nanotechnology上。

三、【核心创新点】

1、作者报告一种通用且可扩展的方法来合成一系列单原子自旋催化剂，这些催化剂由嵌入在MoS₂主体中的替代磁性原子（M1）组成。在所有M₁/MoS₂物种中，Ni₁/MoS₂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Ni₁位点发生铁磁耦合，从而导致全局的室温铁磁性。

2、Ni₁/MoS₂催化剂内部的铁磁耦合有利于OER中的自旋选择性电荷转移和三线态分子氧（↑O=O↑）的形成。此外，约为0.5 T的磁场可使Ni₁/MoS₂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。

四、【数据概览】

图1一系列 M1/MoS2 SASC 的合成与表征。©2023 Springer Nature

图2 Ni₁/MoS₂的铁磁性。。©2023 Springer Nature

图3用于 OER 和水分解的铁磁性 Ni₁/MoS₂ 的巨大磁场增强效应。©2023 Springer Nature

图4 Ni₁/MoS₂铁磁性的起源。©2023 Springer Nature

图5铁磁 Ni₁/MoS₂ 磁性增强的起源。©2023 Springer Nature

五、【成果启示】

   综上所述，作者展示了一种通用的、可扩展的方法，用于合成一系列具有广泛可调负载的SAS（M₁/MoS₂）。高负载M₁/MoS₂还表现出室温铁磁性，这是由嵌入MoS₂晶格中的相邻NiS₄位点之间的铁磁性耦合引起的，提供了巨大的OER活性MFE。在水分解电池中，M₁/MoS₂在高达502 mT的磁场下具有优异的催化性能，在1.5-1.8 V范围内，比没有施加磁场时的电流密度高约一个数量级，优于商用IrO₂催化剂。此外，M₁/MoS₂作为OER催化剂在纯水和海水分裂电池中的稳定性也优于IrO₂，显示了其在实际海水分裂技术中的巨大潜力。这项研究中的铁磁性SASC提供了强大的磁电效应，将有助于加速纯水和盐水的电解工业化进程。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41565-023-01407-1

本文由K . L撰稿。