SHMFF助力科研团队开发磁场增强型单原子催化剂

稳态强磁场实验装置(SHMFF)用户新加坡国立大学吕炯教授及合作者开发了高密度的原子分散的Ni1/MoS2单原子自旋催化剂，利用SHMFF实验条件证实了室温铁磁性及其Ni(III)起源。相关研究成果发表于材料学顶刊Nature Nanotechnology。

电催化分解水析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）是一个4电子转移的反应，过电势较高，是分解水产氢全池的瓶颈反应。理论研究表明，OER过程中存在三重态分子氧（↑O=O↑），其与脱附后的氧分子间存在1 eV的能量差，需要经过自旋电子的能量交换使氧分子顺利从催化剂表面脱附。因此，从OER反应过程出发，如何促进电子快速转移及三重态分子氧脱附是开发高性能OER催化剂的核心。

磁场增强型单原子催化剂是加速化学反应的潜在材料。然而，催化剂设计仍然具有挑战性，因为其不仅需要高密度的原子分散活性位点，同时应具有短程量子自旋交换相互作用和远程铁磁有序。

在本研究中，研究团队利用简单的水热法合成了系列过渡金属掺杂的MoS2材料。对于高密度的原子分散的Ni1/MoS2单原子自旋催化剂，SHMFF电子自旋共振谱证实了室温铁磁特性及其Ni(III)起源。在磁场条件下，室温铁磁性能显著降低自由基中间体的脱附能垒，实现了该催化剂的OER性能显著提升（最高可达28.8倍），并在全池分解水中催化性能优异。结合理论计算，验证其优异的催化活性源于显著降低的OOH*脱附能垒。该研究拓展了磁场和磁性单原子催化材料的应用范畴。

图1. 铁磁Ni1/MoS2单原子电催化分解水OER催化材料