中國(guó)科大等基于自旋態(tài)精細(xì)調(diào)控實(shí)現(xiàn)高效電解水催化產(chǎn)氧

　　優(yōu)化過(guò)渡金屬氧化物的催化性能實(shí)現(xiàn)高效電解水，是當(dāng)前能源化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究難點(diǎn)；調(diào)控電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)過(guò)渡金屬氧化物的自旋態(tài)，是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典課題。當(dāng)二者相遇，是否會(huì)碰出“火花”？近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)周仕明課題組、曾杰課題組與南開(kāi)大學(xué)胡振芃課題組密切合作，在鈣鈦礦鈷氧化物中為它們創(chuàng)造了相遇機(jī)會(huì)并成功捕獲到它們碰撞出的“火花”。相關(guān)成果發(fā)表在5月17日出版的《自然·通訊》上（Nature Communications 7, 11510, 2016）。

　　研究表明，過(guò)渡金屬氧化物的電解水催化性能與其晶體結(jié)構(gòu)及電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。特別是對(duì)具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬氧化物而言，電催化產(chǎn)氧性能與其過(guò)渡金屬離子的3d電子中eg軌道有效填充數(shù)緊密相連。當(dāng)eg軌道的有效電子填充約為1.2時(shí)，其催化性能達(dá)到最好。作為一種典型的電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，鈣鈦礦過(guò)渡金屬氧化物往往呈現(xiàn)出各種奇特的電子序態(tài)，其晶格、電荷、自旋和軌道各自由度之間相互關(guān)聯(lián)。并且，這些自由度之間的相互作用在能量上相當(dāng)，其電子態(tài)易受到各種外加場(chǎng)如磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫場(chǎng)、壓力場(chǎng)等影響，因而表現(xiàn)出電子態(tài)的外場(chǎng)可控性，這為研究人員調(diào)控鈣鈦礦過(guò)渡金屬氧化物的電子態(tài)提供了思路。

　　基于此，周仕明課題組、曾杰課題組和胡振芃課題組通力合作，在LaCoO3體系的自旋態(tài)轉(zhuǎn)變與電解水催化性能優(yōu)化之間搭上了橋梁。通過(guò)改變LaCoO3納米顆粒的尺寸，研究人員能夠精細(xì)控制其自旋態(tài)轉(zhuǎn)變行為，成功實(shí)現(xiàn)了Co離子eg軌道有效電子填充數(shù)從1.0到1.3的調(diào)控。特別是當(dāng)顆粒尺寸在約80 nm時(shí)，其eg軌道電子數(shù)約為1.2，此時(shí)產(chǎn)氧催化性能達(dá)到了最優(yōu)，并與其他報(bào)道的具有eg1.2電子組態(tài)高效催化劑的性能相當(dāng)。

　　同行評(píng)議對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為“該工作委實(shí)有趣，采用的調(diào)控催化性能策略簡(jiǎn)單明了，為通過(guò)改變材料的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)而優(yōu)化其電解水催化性能提供了新的思路”。

　　該研究得到了國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

LaCoO3體系的電催化產(chǎn)氧性能