有效的析氧反应(OER)电催化剂对可持续的清洁能源转换至关重要。然而，催化材料遵循传统的吸附质演化机理(AEM)，关键氧中间体*OOH和*OH之间存在内在的标度关系；或者遵循晶格氧介导机理(LOM)，可能存在晶格氧迁移和结构重构，不利于高活性和稳定性之间的平衡。均相催化剂的氧化路径机制(OPM)有助于进一步的OER性能改进，因为它允许在没有氧空位或额外的反应中间体(*OOH)的条件下实现直接O-O自由基偶联。然而，碱性环境下的OPM机理报道较少，因此寻找碱性环境下遵循OPM机理的具有合适多金属位点的催化剂仍然具有挑战性。
为了分析能够克服液相反应并兼顾高活性和强稳定性的O-O耦合机制，郑州大学张佳楠课题组选择碳纳米管材料负载的铁磁性Co-Fe双位点CoFeSx团簇(CFS-ACs)作为催化OER反应的平台，并阐明了催化OER反应活性与各金属位自旋状态的内在关系。实验结果表明，该催化剂在20 mA cm-2电流密度下的OER过电位为270 mV，连续电解633 h而无电位损失。基于原位/operando X射线吸收和拉曼光谱分析，研究人员提出了一种基于金属-氧中间轨道相互作用演化的双位点分段协同催化机制，其中Co-O-O-Fe耦合机制成功地避免了吸附氧机制中OOH*和OH*之间标度关系的局限性。同时，小尺寸(1.5~3 nm)铁磁性CFS-ACs催化剂可视为单畴铁磁性催化剂，它激发催化剂产生内部电场，诱导水氧化关键中间氧物种的自旋极化，并产生自旋平行排列，降低O-O偶联中间体的形成势垒，从而促进三重态氧的直接脱附(↑O=O↑)。此外，密度泛函理论(DFT)计算进一步表明，O-O偶联机理是可行的，并且优于典型的单位点吸附机理。综上，该项工作不仅实现了同步促进O-O偶联中间体生成和O2释放，而且为OER过程中自旋状态变化对氧吸附中间体的影响提供了可控的策略和独特的见解。Dual-site segmentally synergistic catalysis mechanism: boosting CoFeSx nanocluster for sustainable water oxidation. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-45700-6
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