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Spin-polarized oxygen evolution reaction under magnetic field

自旋极化 析氧 三重态 物理 铁磁性 电子转移 电子 凝聚态物理 化学 旋转交叉 化学物理 自旋(空气动力学) 自旋态 原子物理学 激发态 光化学 物理化学 量子力学 热力学 电化学 电极
作者
Xiao Ren,Tianze Wu,Yuanmiao Sun,Yan Li,Guoyu Xian,Xianhu Liu,Chengmin Shen,José Gracia,Hongjun Gao,Haitao Yang,Zhichuan J. Xu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:12 (1) 被引量:454
标识
DOI:10.1038/s41467-021-22865-y
摘要

Abstract The oxygen evolution reaction (OER) is the bottleneck that limits the energy efficiency of water-splitting. The process involves four electrons’ transfer and the generation of triplet state O 2 from singlet state species (OH - or H 2 O). Recently, explicit spin selection was described as a possible way to promote OER in alkaline conditions, but the specific spin-polarized kinetics remains unclear. Here, we report that by using ferromagnetic ordered catalysts as the spin polarizer for spin selection under a constant magnetic field, the OER can be enhanced. However, it does not applicable to non-ferromagnetic catalysts. We found that the spin polarization occurs at the first electron transfer step in OER, where coherent spin exchange happens between the ferromagnetic catalyst and the adsorbed oxygen species with fast kinetics, under the principle of spin angular momentum conservation. In the next three electron transfer steps, as the adsorbed O species adopt fixed spin direction, the OER electrons need to follow the Hund rule and Pauling exclusion principle, thus to carry out spin polarization spontaneously and finally lead to the generation of triplet state O 2 . Here, we showcase spin-polarized kinetics of oxygen evolution reaction, which gives references in the understanding and design of spin-dependent catalysts.
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