铂-稀土合金中的内禀自旋屏蔽效应提升氧还原活性 | NSR

氧还原过程中反应物与产物自旋不守恒，因此理论上催化剂的自旋构型会影响与其相关的动力学。然而，理解催化剂自旋构型与催化反应过程之间的关系，甚至通过操纵催化剂的自旋构型来促进催化反应活性，十分具有挑战性。本研究展示了在内禀自旋重构的Pt2Gd金属间化合物上实现的高效ORR过程，揭示了Gd位点诱导的自旋屏蔽效应平衡了Pt-5d的自旋极化，提升了氧还原活性，为增强电催化过程的自旋调控策略提供了新的见解。

近日，中国科学院长春应用化学研究所邢巍、中国科学技术大学葛君杰和香港理工大学黄勃龙等在电催化领域取得突破，揭示了铂-稀土合金中的内禀自旋屏蔽效应对氧还原反应活性的显著影响，这项研究发表在《国家科学评论》上。该研究为设计高效催化剂带来潜在希望，推动了可持续能源应用中改进的质子交换膜燃料电池的实现。研究人员通过稀土合金催化剂的研发，发现通过调节自旋对称性和电子结构，能够优化氧物种的吸附和脱附，从而实现高效的氧还原反应。

氧气电催化转换中的自旋屏蔽效应示意图。

构建操纵自旋极化催化剂ORR性能的模型，并准确解耦自旋重构合金中的自旋状态与氧化物中间物种的吸附强度之间的关系。

(a) 展示了Pt₂Gd合金费米能级处的电子态密度分布的三维等值面图，以及 (b-e) Pt₂Gd合金的局域态密度（PDOS）图。(f-g) 氧还原反应在起始电位和平衡电位下的反应能量趋势。

实验结果显示，在酸性电解质环境中，铂-稀土合金表现出卓越的电化学活性，同时具备可靠的耐久性。理论计算揭示了Gd配对的自旋屏蔽效应增加了Pt-5d轨道的自旋对称性，促进了自旋极化中间态的吸附。

这项研究对于理解自旋调控在电催化领域的重要性具有重要意义，并为设计新型高效电催化剂提供了重要的启示。未来，通过进一步研究自旋调控策略，有望实现更高内禀活性的氧还原反应过程，推动清洁能源技术的发展。