Manipulating the Intrinsic Magnetism of Spinel Catalyst toward Magnetic Field-Enhanced OER

磁性 催化作用 尖晶石 材料科学 化学 凝聚态物理 物理 冶金 生物化学
作者
Lu-Lu Hao,Ji‐Yun Hu,Jing Li,Yujing Gao,Yin‐Shan Meng,Tao Liu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (7): 5640-5650 被引量:37
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c00081
摘要

Magnetic catalysts offer an approach to boost the sluggish kinetics of the spin-selective oxygen evolution reaction (OER) with the assistance of the spin-magnetic effect. However, the spin-magnetic effect, which is the correlation between the intrinsic magnetism and catalytic activity, has not been fully understood. Here, we manipulate the saturation magnetization (Ms) of NiCo2–xFexO4 via an iron-doping strategy and evaluate the magnetic field-assisted OER performance accordingly. The experimental results reveal a clear positive correlation between the Ms values and the magnetic field-enhanced OER activity. The ferromagnetically coupled NiCo1.6Fe0.4O4 has the largest Ms of 8.6 emu g–1, and it exhibits the strongest spin-magnetic effect, with a 14.6% reduction of the overpotential and 31.5% reduction of the Tafel slope after applying a mild magnetic field. Density functional theory (DFT) calculations demonstrate that the adsorption energy of *OH at the high-spin cobalt active site highly depends on the Ms of ferromagnetic spinel catalysts. The increase of activity is mainly attributed to the optimized eg occupation of the high-spin cobalt ion and stronger spin-coupling between the cobalt active site and oxygenated intermediates. The elucidation of the relationship between intrinsic magnetism and field-assisted OER activity enlightens an approach toward the design of magnetic catalysts for OER and other spin-selective reactions.
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