近日，伟德bv1946官网低維材料課題組在鎳黃鐵礦的電催化析氧反應方面取得進展。研究成果以“Rapid Surface Reconstruction of Pentlandite by High-Spin State Iron for Efficient Oxygen Evolution Reaction”為題，發表在《Angewandte Chemie International Edition》雜志上。

   析氧反應(OER)是能源轉換過程中的關鍵反應，但其反應動力學速率受到緩慢的多步質子耦合過程的限制。在OER過程中，催化劑發生電化學誘導的表面重構，新重構的組分被認為是實際的活性組分。最近的研究表明，Fe作為重構反應的活性位點，其自旋構型的調控對于高活性催化劑的開發具有重要意義。然而，影響重構反應的因素複雜多變，金屬離子自旋态的調控及其對OER重構反應動力學的影響仍不明确。

本文利用了一種表面電子調控策略以實現Fe₅Ni₄S₈(FNS)中金屬離子自旋構型的轉變。基于此，利用原位XPS以及一系列分子動力學模拟，探讨自旋态調控對重構反應動力學和催化劑活性的影響。結果表明，FNS-400中高自旋構型的Fe促使表面OH⁻的積累，并加速與其之間的電子轉移過程，增強了重構反應動力學速率。

圖1. (a) FNS和FNS-X的XRD圖譜。(b) FNS和FNS-400的FT-IR光譜。(c) FNS和FNS-400的Raman光譜。(d) FNS-400的TEM圖像。(e) FNS-400的HRTEM圖像。(f) FNS-400的HAADF-STEM圖像和相應的元素分布圖像。

   與此同時，密度泛函理論(DFT)計算表明，高自旋态的Fe具有更低的d帶中心，這減弱了含氧中間體的吸附，有利于活性中間體的快速釋放，從而提高OER的催化活性。在1 M KOH的電解液中，優化後的催化劑在10 mA cm⁻²下體現出245 mV的超低過電勢且在100 mA cm⁻²的電流密度下，具有長期穩定性。這項工作聚焦于重構能力與自旋态之間的關聯，為FeNi基催化劑的設計和應用繪制了嶄新的藍圖。

圖2. (a) FNS和(b) FNS-400在不同電位下的原位Ni 2p_3/2 XPS光譜。(c) FNS和(d) FNS-400在不同電位下的原位O 1s XPS光譜。(e) FNS和(f) FNS-SDS在1 M KOH溶液中的分子動力學模拟模型。(g)分子動力學模拟的FNS和FNS-SDS中Fe和OH⁻中心質點之間的距離随反應時間的變化。

   伟德bv1946官网材料物理與化學專業2021級碩士研究生都政言和孟澤碩為該論文的共同第一作者，通訊作者為伟德bv1946官网低維材料課題組田宏偉教授、于陝升教授。該工作得到了吉林省科技廳重點研發計劃項目的資助。

論文詳情：Z.Y. Du^#, Z.S. Meng^#, X.L. Gong, Z.Y. Hao, X. Li, H.T. Sun^*, X.Y. Hu^*, S.S. Yu^*, H.W. Tian^*, Rapid Surface Reconstruction of Pentlandite by High-Spin State Iron for Efficient Oxygen Evolution Reaction, Angewandte Chemie International Edition, 2024, 10.1002/ange.202317022.

論文全文鍊接：https://doi.org/10.1002/anie.202317022.