浙海大周英棠/加泰罗尼亚能源研究所Andreu Cabot AM：异质结调控电子自旋构型提升OER/ORR及ZAB性能

电化学储能装置对可持续能源发展至关重要，其中锌空气电池（ZABs）因其高能量密度，环保及安全特性备受关注。然而，ZABs阴极在充放电过程发生的氧析出反应（OER）及氧还原反应（ORR）动力学缓慢，需要高效的催化剂。目前，尽管贵金属催化剂性能优异，但成本高昂。相比之下，第一排过渡金属（如Mn、Fe、Co、Ni）及其化合物因其丰度性和低成本成为理想选择，尤其是镍基化合物表现出显著的OER性能。

为了提升氧催化效率进而提升ZAB性能，工程化异质结和调控电子自旋构型是有效策略。异质结通过调控电荷相互作用改变表面电荷密度，优化了反应中间体的吸附和电荷转移。控制催化剂表面位点以及吸附氧的电子自旋态对提升OER/ORR效率尤为关键。然而，传统上电子自旋调制依赖外部磁场，限制了其实际应用。

近日，浙江海洋大学周英棠教授课题组与加泰罗尼亚能源研究所Andreu Cabot课题组合作在国际期刊AM发表研究型文章，题为“Enhanced Oxygen Evolution and Zinc-Air Battery Performance via Electronic Spin Modulation in Heterostructured Catalysts”。作者通过合理构建Ni/MnFe₂O₄异质结，实现了金属位点及吸附氧的电子自旋构型调控。在反应过程中，催化剂表面重构为NiOOH/MnFeOOH, 其中Ni³⁺表现出高自旋态，这调节了OH^-和O₂的吸附能，并实现了氧中间体的电子自旋对齐排列，有利于实现三线态O-O构型。结果表明，NiOOH/MnFeOOH电催化剂在OER过程中的过电位仅为261 mV，基于Ni/MnFe₂O₄的可充电ZAB展示出1.56 V的高开路电位和超过1000次循环的优异稳定性。

综上所述，通过构建Ni/MnFe₂O₄异质结，在OER过程中表面重构为NiOOH/MnFeOOH，表现出优异的OER催化性能，10 mA/cm²时的过电位为261 mV，Tafel斜率为38.3 mV/dec。DFT计算表明，NiOOH/MnFeOOH内的较大磁矩和电荷重分布以及Ni³⁺的高自旋电子态，有助于通过促进氧分子的自旋排列构建三线态O-O构型，降低PDS反应能垒。此外，NiOOH/MnFeOOH还具有显着的ORR性能，表现出良好的双功能氧催化性能。NiOOH/MnFeOOH被用作可充电水系ZABs的空气阴极，显示出高的OCP值 (1.56 V)，高的比容量(814 mAh/g)，及优异的长期稳定性（1000次循环以上）。该研究为无需应用外部磁场，通过构建异质结调节金属活性位点和氧中间体的电子自旋构型，提升OER/ORR及ZAB性能提供了见解。

加泰罗尼亚能源研究所/巴塞罗那大学杨林林博士及何仁博士为本文的共同第一作者，浙江海洋大学周英棠教授，及加泰罗尼亚能源研究所Andreu Cabot教授为本文的共同通讯作者, 论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202400572.