Ferromagnetic–Antiferromagnetic Coupling Core–Shell Nanoparticles with Spin Conservation for Water Oxidation

材料科学 铁磁性 磁性 反铁磁性 析氧 凝聚态物理 化学物理 化学 物理 物理化学 电极 电化学
作者
Jingjie Ge,Riccardo Ruixi Chen,Xiao Ren,Jiawei Liu,Samuel Jun Hoong Ong,Zhichuan J. Xu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (42): e2101091-e2101091 被引量:161
标识
DOI:10.1002/adma.202101091
摘要

Rational design of active oxygen evolution reaction (OER) catalysts is critical for the overall efficiency of water electrolysis. The differing spin states of the OER reactants and products is one of the factors that slows OER kinetics. Thus, spin conservation plays a crucial role in enhancing OER performance. In this work, ferromagnetic (FM)-antiferromagnetic (AFM) Fe3 O4 @Ni(OH)2 core-shell catalysts are designed. The interfacial FM-AFM coupling of these catalysts facilitates selective removal of electrons with spin direction opposing the magnetic moment of FM core, improving OER kinetics. The shell thickness is found critical in retaining the coupling effect for OER enhancement. The magnetic domain structure of the FM core also plays a critical role. With a multiple domain core, the applied magnetic field aligns the magnetic domains, optimizing the electron transport process. A significant enhancement of OER activity is observed for the multiple domain core catalysts. With a single-domain FM core with ordered magnetic dipoles, the spin-selective electron transport with minimal scattering is facilitated even without an applied magnetic field. A magnetism/OER activity model therefore hypothesizes that depends on two main parameters: interfacial spin coupling and domain structure. These findings provide new design principles for active OER catalysts.
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