水電解技術(shù)作為制備綠色氫能的關(guān)鍵途徑，受限于陽極側(cè)的緩慢析氧反應(yīng)（OER）動力學(xué)。研究表明，OER過程中從單重態(tài)H2O/OH–向三重態(tài)O2的自旋態(tài)躍遷構(gòu)成了本征反應(yīng)障礙，但對OER催化劑自旋狀態(tài)的有效調(diào)控手段仍較為缺乏。外加磁場增強(qiáng)雖然一度被嘗試，但需額外能量供給且增強(qiáng)機(jī)理存在爭議，亟需發(fā)展無外場條件下自旋調(diào)控的新策略。
近日，西安交通大學(xué)科研人員提出了通過非對稱Fe-Ni立構(gòu)策略以實現(xiàn)原子級局域自旋調(diào)控的新機(jī)制。將Fe引入NiPS3晶格后引起自旋態(tài)重新分布，形成具有中自旋態(tài)（MS）的Fe3+活性位點。通過P/S配位進(jìn)一步穩(wěn)定Fe3+的MS態(tài)，并憑借自犧牲抑制競爭性的Cl氧化反應(yīng)及Cl毒化。該催化劑在堿性及真實海水電解中均展現(xiàn)出優(yōu)異性能，在10mAcm2條件下的工作電壓僅為1.50V/1.52V，并能保持1000小時穩(wěn)定運(yùn)行。此外，該催化劑在陰離子交換膜（海）水電解槽（AEM(S)WE）器件中也表現(xiàn)出穩(wěn)定低壓的工作優(yōu)勢。此外，通過理論計算、X射線吸收譜、電子順磁共振、穆斯堡爾譜等多維度技術(shù)手段，系統(tǒng)地揭示了MSFe3+在促進(jìn)自旋選擇性電子轉(zhuǎn)移中的關(guān)鍵作用。本研究為非貴金屬催化體系中構(gòu)建內(nèi)在自旋調(diào)控路徑提供了新范式，對綠色高效制氫催化劑設(shè)計具有重要參考意義。
該研究成果以Asymmetric tacticity navigates the localized metal spin state for sustainable alkaline/sea water oxidation（《非對稱立構(gòu)調(diào)控金屬局域自旋態(tài)實現(xiàn)高效可持續(xù)的堿性/海水氧化》）為題出版發(fā)表在Science Advances（《科學(xué)進(jìn)展》）上。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國重點實驗室為論文的第一單位和唯一通訊單位，材料學(xué)院表面工程研究室戴正飛教授為論文的唯一通訊作者，博士生劉耀達(dá)為論文的第一作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目、陜西省自然科學(xué)基金、西安交大分析測試中心/超算中心等的支持。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.ads0861
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