电解水制氢的析氧反应（OER）中存在动力学障碍，限制了系统的整体效率。由于OER具有自旋相关的动力学特性，通过控制铁磁性OER催化剂的自旋有序性（如通过磁化）可以降低动力学势垒。然而，大多数活性OER催化剂都不是铁磁性的，这给自旋调控带来了挑战。

近日，新加坡南洋理工大学徐梽川教授，中国科学院物理研究所杨海涛副研究员报道了一种具有高性能的氧化物_FM/羟基氧化物体系，在铁磁体（FM） Co_xFe_3−xO₄衬底（氧化物_FM/氧氢氧化物）上的Co羟基氧化层中实现了本质的自旋钉扎。在自旋钉扎效应下，在磁场作用下经过短时磁化后，自旋可以进一步排列，从而进一步提高了催化剂的OER活性。

文章要点

1）自旋钉扎效应得益于稳定的氧化物FM/氢氧化物界面，长程相互作用通常在5 nm以内。这需要一个稳定的氧化物_FM/羟基氧化物结构和一个具有有限厚度的羟基氧化层。通过可控重构，研究人员获得了一种具有这样稳定结构的氧化物_FM/羟基氧化物构型。硫化程度可控的Co_xFe_3−xO₄氧化物可以在OER条件下进行表面重构，形成厚度在4 nm左右的Co羟基氧化物。此外，研究发现，在界面处，Co_xFe_3−xO₄中的FM磁畴具有高度排列的自旋，使羟基氧化物层中的自旋发生强烈的钉扎，重构的氢氧化物表现出比直接制备的Co(Fe) 羟基氧化物高约1个数量级的本征OER活性。

2）在磁化后，只有在FM衬底上建立了自旋钉扎，从而显著促进了OER活性，其效应可以通过退磁来消除。这意味着自旋钉扎效应参与了OER的速率决定步骤（RDS），并且RDS与自旋存在关系。在自旋钉扎下，具有特定自旋状态（自旋向上或自旋向下）的反应物氧中的2p电子可以在OER过程中通过催化剂转移，从而产生平行自旋排列的氧，从而促进三重态氧（↑0=0↑）的产生。此外，OER中含有更多未成对的非键p电子的氧自由基的参与对OER中的自旋极化起着至关重要的作用。由于氧自由基是在第一步脱氢时产生的，因此在自旋钉扎作用下，氧原子的自旋极化相应地被促进，从而降低了随后的-O-O-偶联（RDS）的势垒。

总体而言，氧化物_FM/羟基氧化物体系的设计是基于可控的表面重构，并引入自旋钉扎效应来提高OER。

参考文献

Wu, T., Ren, X., Sun, Y. et al. Spin pinning effect to reconstructed oxyhydroxide layer on ferromagnetic oxides for enhanced water oxidation. Nat Commun 12, 3634 (2021).

DOI：10.1038/s41467-021-23896-1

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23896-1