Enhancing Properties with Distortion: A Comparative Study of Two Iron Phosphide Fe2P Polymorphs

正交晶系 材料科学 铁磁性 相(物质) 微晶 结晶学 晶体结构 化学 磁化 冶金 磁场 物理 有机化学 量子力学
作者
Seongyoung Kong,Prashant Singh,Arka Sarkar,Gayatri Viswanathan,Yury V. Kolen’ko,Yaroslav Mudryk,D. D. Johnson,Kirill Kovnir
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:36 (3): 1665-1677 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.3c03003
摘要

Iron phosphide (Fe2P) crystallizes in its own hexagonal crystal structure type (h-Fe2P). As found in meteorites, orthorhombic polymorph (o-Fe2P) was originally reported as a high-temperature and high-pressure phase. Recently, o-Fe2P was described as being stable at ambient pressure, yet no synthetic methods were developed for single-crystal growth or single-phase bulk powder synthesis. Here, we report a successful method for growing o-Fe2P single crystals and synthesizing phase-pure polycrystalline samples using tin-flux. In situ powder X-ray diffraction studies showed that the phase transition from o-Fe2P to h-Fe2P occurs at about 873 K, and below that temperature, the formation of the o-Fe2P phase is favored thermodynamically rather than kinetically. Systematic comparison of transport, magnetic, and electrocatalytic properties of both h-Fe2P and o-Fe2P phases showed a substantial impact of the crystal structure on properties. The orthorhombic structural distortion resulted in considerable changes in magnetic properties, with the o-Fe2P phase exhibiting a 60% lower Fe magnetic moment and a substantially higher ferromagnetic Curie temperature than h-Fe2P. Electrochemical measurements toward the hydrogen evolution reaction in acidic media showed that the o-Fe2P phase requires an 80 mV lower overpotential than the h-Fe2P phase to generate a current density of −10 mA/cm2, and their electronic structures suggest that the higher density of states at the Fermi energy is the origin of superior catalytic activity in o-Fe2P.
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