Coupling ferromagnetic ordering electron transfer channels and surface reconstructed active species for spintronic electrocatalysis of water oxidation

过电位 自旋电子学 电子转移 铁磁性 析氧 电催化剂 化学物理 材料科学 化学 凝聚态物理 物理化学 物理 电极 电化学
作者
Zexing He,Xiaokang Liu,Minghui Zhang,Lei Guo,Muhammad Ajmal,Lun Pan,Chengxiang Shi,Xiangwen Zhang,Zhen‐Feng Huang,Ji‐Jun Zou
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:85: 570-580 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2023.06.043
摘要

Sluggish reaction kinetics of oxygen evolution reaction (OER), resulting from multistep proton-coupled electron transfer and spin constriction, limits overall efficiency for most reported catalysts. Herein, using modeled ZnFe2−xNixO4 (0 ≤ x ≤ 0.4) spinel oxides, we aim to develop better OER electrocatalyst through combining the construction of ferromagnetic (FM) ordering channels and generation of highly active reconstructed species. The number of symmetry-breaking Fe–O–Ni structure links to the formation of FM ordering electron transfer channels. Meanwhile, as the number of Ni3+ increases, more ligand holes are formed, beneficial for redirecting surface reconstruction. The electro-activated ZnFe1.6Ni0.4O4 shows the highest specific activity, which is 13 and 2.5 times higher than that of ZnFe2O4 and unactivated ZnFe1.6Ni0.4O4, and even superior to the benchmark IrO2 under the overpotential of 350 mV. Applying external magnetic field can make electron spin more aligned, and the activity can be further improved to 39 times of ZnFe2O4. We propose that intriguing FM exchange-field interaction at FM/paramagnetic interfaces can penetrate FM ordering channels into reconstructed oxyhydroxide layers, thereby activating oxyhydroxide layers as spin-filter to accelerate spin-selective electron transfer. This work provides a new guideline to develop highly efficient spintronic catalysts for water oxidation and other spin-forbidden reactions.
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