铂金资讯 | 利用自旋效应：新型电催化剂或将提升氢生产效率

文章来源：techxplore | 翻译：世界铂金投资协会

电催化水分解是一种将水分解为氢和氧的过程，被视为生产用于燃料电池的清洁氢能的有前景方法。这种氢可用于为大型电动汽车提供动力。然而，目前这一工艺在实际应用中受到限制，主要原因是阳极上的关键化学反应——氧析出反应（OER）的动力学缓慢。

近期，来自马克斯·普朗克化学物理研究所、魏茨曼科学研究所等机构的研究人员提出了一种创新方法，利用拓扑手性半金属作为电催化剂，加速氧析出反应。

他们的研究成果发表在Nature Energy杂志上，表明这些材料固有的自旋轨道耦合（SOC）效应可以显著提升OER活性，从而提高电催化水分解的效率。

“我们的研究源于对清洁和可持续能源解决方案的迫切需求，”论文的第一作者Xia Wang在接受Tech Xplore采访时表示。

“具体来说，我们的目标是解决提高电催化水分解效率的难题，尤其是针对OER这一关键步骤，其往往因动力学缓慢而受限。灵感来自拓扑手性半金属独特的电子传输特性，这为解决传统催化剂的局限性提供了新的方向。”

Wang及其团队此次研究的核心目标是利用拓扑手性半金属的量子特性来增强OER效率。为此，研究团队首先合成了一系列基于铑（Rh）的拓扑手性半金属，包括RhSi、RhSn和RhBiS，并调控其SOC强度。

“这些材料同时具有高度有序的几何手性和电子手性，能够生成自旋极化载流子，这是提升催化活性的关键。”Wang解释道。

“通过与非手性参考材料的性能对比，我们证明这些手性晶体在碱性电解液中的比活性显著优于最先进的催化剂，例如RuO₂，在碱性电解质中的活性最高可提高两个数量级。”

Wang及其同事的研究结果显示，拓扑手性半金属中SOC强度、自旋极化和材料催化活性之间存在直接联系。这一重要发现为未来电催化剂的设计提供了指导，有望找到可实现最佳OER活性的拓扑材料。

“我们研究中最显著的成果是首次实验验证了SOC与OER性能之间的直接联系，为设计基于自旋效应的催化剂奠定了坚实的原则，”Wang表示。“在我们研究的材料中，RhBiS表现最为突出，其OER活性远远超过传统催化剂。”

这一团队的最新研究有望加速先进水分解技术的发展，从而推动绿色氢基能源解决方案的普及，包括为电动飞机、卡车等大型车辆提供动力的燃料电池。

“这项研究为利用自旋轨道耦合作为设计更高效拓扑催化剂的工具奠定了基础，”来自瑞士联邦理工学院洛桑分校（EPFL）的领域专家Maggie Lingerfelder教授表示。

“在我看来，自旋轨道耦合在选择性催化剂设计中仍是一个未被充分探索的领域，但它甚至可能解释为什么铂（Pt）在多种反应中表现出如此多样化的催化性能。这项研究为未来的探索开辟了令人兴奋的方向，将凝聚态物理学界与手性拓扑材料在自旋控制化学中的应用联系得更加紧密。”

接下来，Wang及其同事计划基于他们的发现，进一步研究具有不同电子和磁性特性的其他拓扑材料，以进一步优化自旋极化载流子的生成。

“我们还计划专注于实际应用，开发具有可扩展性和成本效益的催化剂，并在工业相关环境中评估其性能，”Wang补充道。

“通过弥合基础研究与实际应用之间的差距，我们希望为可持续能源技术的进步作出有意义的贡献。”（来源：techxplore）

翻译：世界铂金投资协会

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