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Modulating Local Electron Spin‐State at Co Site Through Ru─O─Co Configuration for Efficient Triplet Oxygen Conversion

材料科学 密度泛函理论 自旋态 顺磁性 氧气 铁磁性 共价键 自旋极化 过渡金属 电子结构 兴奋剂 催化作用 化学物理 极化(电化学) 自旋(空气动力学) 电子 纳米技术 析氧 光化学 工作(物理) 电子顺磁共振 设计要素和原则 活动站点 凝聚态物理 氧还原反应 金属 光电子学
作者
Weiping Xiao,Y. Zhang,Wenting Lu,Y. Zhang,Rui Gao,Danil Bukhvalov,Xiaofei Yang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (35) 被引量:1
标识
DOI:10.1002/adfm.202530335
摘要

ABSTRACT The electrocatalytic performance of oxygen evolution/reduction reactions (OER/ORR) is related to the spin‐state of the transition metal, which can be modulated by magnetic element doping. This work proposes an innovative strategy involving non‐magnetic element doping to engineer spin polarization channels through the formation of Co‐O‐Ru covalent bonds, which can induce a spin‐state transition in Co sites from intermediate‐spin state () in S CoOOH to high‐spin state () in S CoOOH‐Ru. The optimized S CoOOH‐Ru achieves a remarkably low potential difference of 0.67 V between the E 1/2 for ORR and the η 10 for OER, demonstrating an approximately 140 mV reduction compared with its low‐spin state S CoOOH. Density functional theory (DFT) calculation reveals that the RuO x layer on CoO‐termination transforms CoOOH from a paramagnetic to a ferromagnetic material, indicating the generation of high‐spin Co 3+ sites. This optimized Co electronic structure combined with the intrinsically active Ru sites reduces free energy barriers of key ORR/OER intermediates (*OH → *O → *OOH) and accelerates the reaction kinetics, enhancing catalytic performance. This work not only unveils the remote control capability of non‐magnetic elements on spin states but also establishes a novel paradigm for spin engineering in the design of advanced oxygen electrocatalysts.
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