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邵琪/黃小青AM:自旋極化策略!Mn-RuO2納米片助力酸性OER

邵琪/黃小青AM:自旋極化策略!Mn-RuO2納米片助力酸性OER
自旋極化是增強陽極析氧反應(OER)的一種有效策略,因為中間體和產物具有自旋依賴性,但在實際工業中用于酸性OER的鐵磁性催化劑很少報道。
基于此,蘇州大學邵琪副研究員、廈門大學黃小青教授等人報道了首個自旋極化介導的策略,通過稀錳(Mn2+)(S=5/2)摻雜在反鐵磁RuO2中產生凈鐵磁力矩,以增強酸性電解質中的OER活性。Mn-RuO2納米片表現出強磁場增強的OER活性,在10 mA cmgeo-2下的過電位最低為143 mV,在480 h穩定性下的活性衰減可以忽略不計。在1.45 V下,固有周轉頻率達到5.5 s?1。
邵琪/黃小青AM:自旋極化策略!Mn-RuO2納米片助力酸性OER
通過密度泛函理論(DFT)計算,作者研究了Mn摻雜對RuO2磁性的影響。超級單體的反鐵磁構型和非鐵磁構型的總能量差為-82 meV,表明純RuO2中Ru矩傾向于反鐵磁排列。
根據RuO2的自旋密度分布圖,其中Ru的矩沿c軸呈鐵磁排列,在a-b平面呈反鐵磁排列。兩個相鄰的Ru原子標記為Ru1和Ru2。通過對DOS積分,發現兩個Ru原子的矩相同(~1.20),但方向相反,沒有凈矩。
邵琪/黃小青AM:自旋極化策略!Mn-RuO2納米片助力酸性OER
當Mn被引入RuO2晶格中時,其磁性結構發生了變化。摻雜的Mn原子具有較大的磁矩(~3.69),并誘導了相鄰Ru原子磁矩的鐵磁排列。最近鄰Ru(Ru4)和次近鄰Ru(Ru5)的PDOS可看出,隨著與Mn距離的增加,Ru的矩從0.36減小到0.20,但方向相同,表明Ru的矩在Mn原子周圍局部鐵磁排列。當Ru原子遠離Mn原子時,Ru矩會再次傾向于反鐵磁排列。
邵琪/黃小青AM:自旋極化策略!Mn-RuO2納米片助力酸性OER
Spin-polarization strategy for enhanced acidic oxygen evolution activity. Adv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202302966.

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