伍伦贡大学Adv. Sci.: 电荷转移和自旋有序协同调控，增强电催化水氧化

异质结的设计为提高能量转换反应性能提供了可能性。但目前的研究主要集中在异质结电荷转移的优势，往往忽视自旋属性的调节，尽管人们越来越认识到自旋敏感性在许多化学反应中的重要性。

自旋是电子的一个固有属性，自旋构型和电子自旋相互作用，如自旋轨道效应，往往决定了活性中心的电子结构，进一步调整反应步骤中的吸附能，以达到最佳条件。

例如，在ORR反应中，三重态氧分子可以与铁磁性催化剂中的自旋极化电子相互作用，减少库仑斥力，从而降低催化剂与反应物之间的反应电子转移。在OER中，自旋极化电子通过量子自旋交换相互作用(QSEI)增强了三重态氧(↑O=O↑)的产生。因此，构建能同时调节电子电荷和自旋的新型异质结构对于自旋敏感相关场来说尤其重要和关键。

近日，伍伦贡大学程振祥和李晓宁等设计了一种新型的磁异质结构CoFe₂O₄@CoFeMo₃O₈，用于同时调节电荷和自旋特性，并系统地阐明了它们对OER的协同影响。

实验结果和密度泛函理论(DFT)计算证实了磁性异质结同时具有电荷转移和自旋极化。电荷转移行为通过能带结构的调节增强了电导率和吸附能力；同时，磁极化电子通过自旋选择性途径促进三重态氧的产生和加速电子输运。

此外，异质结构对外部交变磁场的有效响应进一步放大了自旋依赖效应，并引入了磁热效应，通过自旋翻转局部加热活性位点，从而提高了催化活性。

因此，CoFe₂O₄@CoFeMo₃O₈异质结在1.0 M KOH中仅需270 mV的过电位就能达到10 mA cm⁻²的电流密度，远低于CoFeMo₃O₈(300 mV)和CoFe₂O₄(426 mV)。同时，随着外加交变磁场(AMF)强度的增加，CoFe₂O₄@CoFeMo₃O₈的性能逐渐得到改善。当应用在250 kHz处113.06 Oe的AMF时，过电位从270 mV降低到240 mV。

相比之下，CoFeMo₃O₈和CoFe₂O₄在AMF下的性能改善较少。此外，在连续10小时的稳定性测试中，无论有没有AMF，CoFe₂O₄@CoFeMo₃O₈的活性都没有发生下降。

综上，该项工作证实通过构建磁异质结构来提高自旋敏感反应的性能的可行性，为高效催化剂的设计提供了新策略。

Engineering magnetic heterostructures with synergistic regulation of charge-transfer and spin-ordering for enhanced water oxidation. Advanced Science, 2024. DOI: 10.1002/advs.202409842