Nat.Commun:手性电催化剂增强OER活性

一、【导读】

近年来，析氧反应（OER）仍然是许多电催化和电化学过程中的重要瓶颈，包括水电解、电化学还原CO₂、电池和燃料电池的交换膜等。阳极电催化剂上分子氧的生成被认为是在其表面通过许多可能的自由基中间体实现，即吸附的*OH，*O和*OOH。OER的整个反应是一个四电子、四质子的过程，并已提出了许多机理方案。然而，由于OER涉及的总体复杂性，大量工作集中在开发简化模型以指导催化剂设计上（火山图，轨道的占用确定最佳性能等）。尽管以往的策略在推进催化剂设计方面取得了重大进展，但这些模型往往忽略了电子自旋对反应动力学的作用。由于双原子氧的基态是以三元态存在，自旋约束会影响基本反应步骤。因此，实现电子自旋提高OER催化活性是一种非常有趣且具有实际意义的研究。

二、【成果掠影】

近日，匹兹堡大学David H.Waldeck教授团队发现通过手性诱导自旋选择性（CISS）效应控制对电解过程中反应中间体自旋排列，从而提高催化剂的性能和效率。相关的研究成果以“Chiral electrocatalysts eclipse water splitting metrics through spin control”为题发表在Nature Communications上。

三、【核心创新点】

1、作者通过CISS效应实现了自旋排列。OER的改善表现为：相比组成类似的非手性纳米催化剂，手性纳米催化剂提高了法拉第效率、降低了反应过电位和改变了速率决定步骤。

2、这项研究揭示了手性电催化剂表面的自旋排列是提高高性能催化剂OER效率的可行策略，并且催化剂自旋极化自由基表面中间体的能力应该是一个重要的OER催化剂设计标准。

四、【数据概览】

图1催化剂的表征。未掺杂(黑色)、5%(绿色)、10%(蓝色)和23%(紫色)铁掺杂Rac-(浅色，虚线)和L-钴氧化物(深色，实线)纳米颗粒的吸光度(a)和圆二色(b)光谱。（c、d）分别显示 L-氧化钴和 Rac-氧化钴催化剂的代表性 STEM 图像。边框的颜色与 ( a , b ) 中使用的颜色编码相同。 ©2023 The Author(s)

图2伏安特性。（a – d）未掺杂（黑色）和 5%（绿色）、10%（蓝色）和 23%（紫色）铁掺杂 Rac-（虚线）和 L-氧化钴（实线）纳米颗粒在 1 M NaOH中测量的线性扫描伏安图。（e）Rac-（空心符号）和 L-氧化钴（实心符号）在 10 mA cm^-2时的相应过电势。©2023 The Author(s)

图3催化活性和表征。（a、b）未掺杂（黑色）和 5%（绿色）、10%（蓝色）和 23%（紫色）铁掺杂 Rac-（空心）和 L-钴氧化物（实心）纳米颗粒催化剂在1 M NaOH电解质溶液中的质量活性（MA）和比活度（SA）。（c）未掺杂（黑色）和 23% Fe 掺杂（紫色）手性催化剂在 1 M NaOH（水平破折号）和 0.1 M pH 10 碳酸钠（虚线）和0.02 M pH 8 磷酸钾（交叉影线）缓冲溶液的法拉第效率。（d–g）分别为未掺杂和 5%、10% 和 23% 铁掺杂 Rac-（空心符号）和 L-氧化钴（实心符号）纳米颗粒的 Tafel 图和相应的斜率。©2023 The Author(s)

五、【成果启示】

综上所述，这项工作探讨了通过手性诱导的自旋选择性效应产生的电子自旋极化在促进OER中的关键作用。如果进一步被推广，手性纳米颗粒催化剂将可以用于大表面积电极和更大规模的反应，而不会造成损失或阻碍自旋选择性。并且，这项研究预计自旋极化电子流会影响许多其他反应的选择性和效率,也间接的为更多电催化剂的设计开创新的路径和方向。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36703-w

本文由K . L撰稿。