近日，吉林大学材料科学与工程学院低维材料课题组在镍黄铁矿的电催化析氧反应方面取得进展。研究成果以“Rapid Surface Reconstruction of Pentlandite by High-Spin State Iron for Efficient Oxygen Evolution Reaction”为题，发表在《Angewandte Chemie International Edition》杂志上。

   析氧反应(OER)是能源转换过程中的关键反应，但其反应动力学速率受到缓慢的多步质子耦合过程的限制。在OER过程中，催化剂发生电化学诱导的表面重构，新重构的组分被认为是实际的活性组分。最近的研究表明，Fe作为重构反应的活性位点，其自旋构型的调控对于高活性催化剂的开发具有重要意义。然而，影响重构反应的因素复杂多变，金属离子自旋态的调控及其对OER重构反应动力学的影响仍不明确。

本文利用了一种表面电子调控策略以实现Fe₅Ni₄S₈(FNS)中金属离子自旋构型的转变。基于此，利用原位XPS以及一系列分子动力学模拟，探讨自旋态调控对重构反应动力学和催化剂活性的影响。结果表明，FNS-400中高自旋构型的Fe促使表面OH⁻的积累，并加速与其之间的电子转移过程，增强了重构反应动力学速率。

图1. (a) FNS和FNS-X的XRD图谱。(b) FNS和FNS-400的FT-IR光谱。(c) FNS和FNS-400的Raman光谱。(d) FNS-400的TEM图像。(e) FNS-400的HRTEM图像。(f) FNS-400的HAADF-STEM图像和相应的元素分布图像。

   与此同时，密度泛函理论(DFT)计算表明，高自旋态的Fe具有更低的d带中心，这减弱了含氧中间体的吸附，有利于活性中间体的快速释放，从而提高OER的催化活性。在1 M KOH的电解液中，优化后的催化剂在10 mA cm⁻²下体现出245 mV的超低过电势且在100 mA cm⁻²的电流密度下，具有长期稳定性。这项工作聚焦于重构能力与自旋态之间的关联，为FeNi基催化剂的设计和应用绘制了崭新的蓝图。

图2. (a) FNS和(b) FNS-400在不同电位下的原位Ni 2p_3/2 XPS光谱。(c) FNS和(d) FNS-400在不同电位下的原位O 1s XPS光谱。(e) FNS和(f) FNS-SDS在1 M KOH溶液中的分子动力学模拟模型。(g)分子动力学模拟的FNS和FNS-SDS中Fe和OH⁻中心质点之间的距离随反应时间的变化。

   吉林大学材料科学与工程学院材料物理与化学专业2021级硕士研究生都政言和孟泽硕为该论文的共同第一作者，通讯作者为吉林大学材料科学与工程学院低维材料课题组田宏伟教授、于陕升教授。该工作得到了吉林省科技厅重点研发计划项目的资助。

论文详情：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.

论文全文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202317022.