Magnetic graphene vacancies: atomic-scale O2 scissors mediated by antiferromagnetic exchange interaction–spin-orbit selective coupling effects

反铁磁性 石墨烯 自旋轨道相互作用 原子单位 凝聚态物理 联轴节(管道) 材料科学 交换互动 自旋(空气动力学) 化学物理 纳米技术 化学 物理 铁磁性 量子力学 热力学 冶金
作者
Gu Gaoyuan,Ge Ruijie,Yan Zhou,Jianing Zhang,Wenhui Li,Chong Peng,Bi Changlong,Shuyi Yang,E Tao
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:698: 137998-137998 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2025.137998
摘要

The serious corrosion of electrode caused by hydrogen peroxide (H2O2) generated by noble metal catalyst through two-electron path is the key bottleneck of large-scale application of fuel cell. Based on the study of the structure-activity relationship between defect size and oxygen reduction reaction (ORR) activity of graphene, a strategy is proposed to use the single-atom vacancy (SAV) of graphene to induce electrons to preferentially fill the antibonding orbital (π*p) of oxygen (O2) and achieve four-electron path selectivity far exceeding conventional carbon defects via Yeager-type adsorption. Among them, a new mechanism of electron transfer induced by the magnetic properties of SAV and O2 (spin inversion induced by antiferromagnetic exchange and selective injection of the same spin orbitals (pz-π*p)) is the key to realize the strong electron transfer and shear of O2. In thermodynamic analysis, the magnetic SAV has the lowest ORR overpotential (0.26 V) and the highest *OOH desorption barrier, showing a unique four-electron path selectivity. The above results will provide new insights into the electron transfer mechanism of magnetic materials and fill the theoretical gap of magnetism in the development of atomic scale construction of graphene defects, non-metallic catalysts for fuel cells, and corrosion resistance technology.
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