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Magneto-voltaic Activity of Single-atom Iron on Reduced Graphene Oxide for Magneto-catalytic Conversion of H2O2 into O2

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作者
Chieh-Wei Chung,Jyun-Yau Huang,Jing-Guan Liang,Linda Iffland,Chong‐Chi Chi,Jeng‐Lung Chen,Ting Shan Chan,Chi‐Liang Chen,Ying‐Rui Lu,Chieh‐Cheng Huang,Ho‐Hsiu Chou,Zong‐Hong Lin,Ying‐Chieh Chen,Ming‐Yen Lu,Ulf‐Peter Apfel,Yei‐Chen Lai,Tsai‐Te Lu
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2025-sgbpw
摘要

Recent advances in magnetically enhanced (electro)catalysis have disclosed the potential of magnetic fields to modulate reaction kinetics and catalytic performance. Herein, a combination of alternating magnetic field (AMF) as a physical stimulus, reduced graphene oxide (rGO) as a magneto-sensitizer, single-atom Fe on rGO (FeSA:rGO) as the catalytic active site, and H2O2 as dual reductant and oxidant demonstrated a proof-of-concept magneto-catalytic process that is thermodynamically driven solely by magneto-voltaic activity. Upon application of AMF to electroconductive FeSA:rGO, AMF-induced charge separation led to formation of low-lying electron holes (EHOMO = 2.41/2.43 eV) and excited electrons (ELUMO = -0.65/-0.57 eV), which triggered AMF power-dependent magneto-voltaic and magneto-electric activity (0.19-1.56 V and 0.15-0.62 mA). In the presence of H2O2, these AMF-induced low-lying electron holes in FeSA:rGO promoted oxidation of Fe3+ resting state leading to transient formation of a high-valent Fe4+ species, which served as a critical intermediate for magneto-catalytic oxidation of H2O2 and evolution of O2. Furthermore, kinetic study unveiled that FeSA:rGO concentration, H2O2 concentration, and AMF power played key roles in controlling the rates for FeSA:rGO-mediated magneto-catalytic oxygen evolution reaction. Consequently, these investigations established a mechanistic foundation for the future development of magneto-catalytic systems by integrating AMF-responsive magneto-sensitizers with diverse catalytic active sites.
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