氧還原過程中反應物與產物自旋不守恆，因此理論上催化劑的自旋構型會影響與其相關的動力學。然而，理解催化劑自旋構型與催化反應過程之間的關係，甚至通過操縱催化劑的自旋構型來促進催化反應活性，十分具有挑戰性。本研究展示了在內稟自旋重構的Pt2Gd金屬間化合物上實現的高效ORR過程，揭示了Gd位點誘導的自旋遮蔽效應平衡了Pt-5d的自旋極化，提升了氧還原活性，為增強電催化過程的自旋調控策略提供了新的見解。
近日，中國科學院長春應用化學研究所邢巍、中國科學技術大學葛君傑和香港理工大學黃勃龍等在電催化領域取得突破，揭示了鉑-稀土合金中的內稟自旋遮蔽效應對氧還原反應活性的顯著影響，這項研究發表在《國家科學評論》上。該研究為設計高效催化劑帶來潛在希望，推動了可持續能源應用中改進的質子交換膜燃料電池的實現。研究人員通過稀土合金催化劑的研發，發現通過調節自旋對稱性和電子結構，能夠最佳化氧物種的吸附和脫附，從而實現高效的氧還原反應。
氧氣電催化轉換中的自旋遮蔽效應示意圖。
構建操縱自旋極化催化劑ORR性能的模型，並準確解耦自旋重構合金中的自旋狀態與氧化物中間物種的吸附強度之間的關係。
自旋遮蔽效應一覽：Pt2Gd合金的電子態密度分佈和表面吸附過程示意。
(a) 展示了Pt2Gd合金費米能級處的電子態密度分佈的三維等值面圖，以及 (b-e) Pt2Gd合金的局域態密度（PDOS）圖。(f-g) 氧還原反應在起始電位和平衡電位下的反應能量趨勢。
實驗結果顯示，在酸性電解質環境中，鉑-稀土合金表現出卓越的電化學活性，同時具備可靠的耐久性。理論計算揭示了Gd配對的自旋遮蔽效應增加了Pt-5d軌道的自旋對稱性，促進了自旋極化中間態的吸附。
這項研究對於理解自旋調控在電催化領域的重要性具有重要意義，併為設計新型高效電催化劑提供了重要的啟示。未來，通過進一步研究自旋調控策略，有望實現更高內稟活性的氧還原反應過程，推動清潔能源技術的發展。
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