Nature communication:手性电催化剂通过自旋控制超越水分解指标

文摘   2024-10-13 11:04   北京  


本文介绍了一种通过手性诱导的自旋选择性(CISS)效应控制反应中间体自旋排列来提高水分解中氧进化反应(OER)催化剂效率的方法。

本文要点


1手性催化剂提高效率

2法拉第效率和反应过电位

3反应机制和自旋效应



研究背景

   

在水分解技术中,氧进化反应(OER)由于其缓慢的动力学过程而成为提高效率的主要障碍,尽管研究人员已经通过调整反应中间体的吸附能来优化催化剂设计,但这些模型通常忽略了电子自旋对反应动力学的潜在影响,因此本文的研究背景集中在探索手性诱导的自旋选择性(CISS)效应,以期通过控制反应中间体的自旋排列来开发出更高效的OER催化剂,从而推动水分解技术及其他电催化过程的发展。

研究内容


本研究通过实验验证了手性诱导的自旋选择性(CISS)效应能够在水分解过程中显著提高氧进化反应(OER)的催化剂效率,通过制备具有手性的钴氧化物纳米粒子催化剂,并将其与非手性对应物进行比较,发现手性催化剂在碱性介质中展现出更高的法拉第效率、更低的反应过电位,并改变了反应的决速步骤,特别是在低pH条件下,手性催化剂相比于非手性催化剂在抑制过氧化氢副产物的生成方面表现更为优异,实验结果表明,通过利用手性纳米催化剂的自旋选择性,可以作为一种有效的策略来提升催化剂在OER中的性能。

以下为主要图解:

上图为催化剂的表征。未掺杂(黑色)和 5%(绿色)、10%(蓝色)和 23%(紫色)铁掺杂的 Rac-(浅虚线)和 L-氧化钴(深色实线)纳米粒子的吸光度(a)和圆二色性(b)光谱。请注意,(a)中的光谱为了清晰而相互错开。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。边框的颜色反映了与(a、b)中使用的相同的颜色编码,图像中的比例尺为 25 nm

上图为伏安特性。a–d 显示在 1 M NaOH 电解质中测量的 Nafion 中未掺杂(黑色)和 5%(绿色)、10%(蓝色)和 23%(紫色)铁掺杂的 Rac-(虚线)和 L-氧化钴(实线)纳米颗粒催化剂的线性扫描伏安图。e 显示 Rac-(空心符号)和 L-氧化钴(实心符号)在 10 mA cm-2 下的相应过电位。红线是强调手性影响的视觉指南,误差线表示至少三次独立测量的标准偏差。

上图为催化活性和表征。a、b 显示在 1 M NaOH 电解质溶液中测得的 Nafion 中未掺杂(黑色)和 5%(绿色)、10%(蓝色)和 23%(紫色)铁掺杂的 Rac-(空心)和 L-氧化钴(填充)纳米颗粒催化剂的质量活度“MA”和比活度“SA”。c 显示与 1 M NaOH(水平虚线)和 0.1 M pH 10 碳酸钠(虚线)和 0.02 M pH 8 磷酸钾(交叉影线)缓冲溶液中的非手性类似物相比,未掺杂(黑色)和 23% Fe 掺杂(紫色)手性催化剂的法拉第效率有所增强。误差线表示至少三个独立电极制备的标准偏差。 d–g 分别显示未掺杂和掺杂 5%、10% 和 23% 铁的 Rac-(空心符号)和 L-氧化钴(实心符号)纳米粒子的 Tafel 图和相应的斜率


总结与展望





     

 

本研究成功展示了通过手性诱导的自旋选择性效应,可以显著提升氧进化反应的催化剂性能,不仅提高了法拉第效率和降低了反应过电位,还改变了反应的决速步骤,为设计新型高效催化剂提供了新思路;未来研究可进一步探索将手性催化剂应用于更广泛的反应类型和条件,以及如何实现这些催化剂的工业化规模生产,从而推动电催化技术在能源转换和存储等领域的实际应用。



    


文献详情



Vadakkayil, A., Clever, C., Kunzler, K.N. et al. Chiral electrocatalysts eclipse water splitting metrics through spin control. Nat Commun 14, 1067 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36703-w


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