新研究揭示了铂稀土合金的本征自旋屏蔽对电催化的显着影响
氧还原反应是燃料电池性能的关键步骤，决定其效率和整体适用性。然而，ORR 的缓慢动力学，特别是在阴极，由于其缓慢且能量密集的四电子过程而带来了挑战。人们一直致力于开发具有增强活性和耐用性的铂基催化剂。一种方法是将铂与过渡金属制成合金，该方法成功地降低了反键轨道的能级并提高了铂的固有活性。
最近的研究表明，电子不仅携带电荷，还具有自旋，这在催化反应中起着至关重要的作用。ORR 过程中氧分子的转变涉及自旋态的变化，因此必须考虑局部自旋和电子磁相互作用之间的相互作用。对电催化反应的自旋效应，特别是那些涉及自旋翻转的反应，人们仍然知之甚少。因此，通过主导磁性的参与探索催化剂的自旋调控已成为优化局域中间体的电子转移和吸附强度的有趣途径。
在这项研究中，研究人员成功地将稀土元素钆 (Gd) 掺入铂晶格中，制造出 Pt 2 Gd 金属间合金。钆由于其半填充的 4f 轨道而具有固有的高自旋密度，从而产生自然磁矩。该合金表现出独特的本征自旋重构，这显着影响了 ORR 的动力学。实验结果表明，Pt 2 Gd合金表现出显着的电活性，在酸性电解质环境中具有1.5 A·mg Pt -1的高质量活性和0.95 V的半波电位。此外，与传统的铂/碳(Pt/C)催化剂相比，它表现出卓越的耐用性。
通过密度泛函理论(DFT)计算，研究人员揭示了与Gd合金化引起的自旋重构引起的Pt-5d轨道的调制。Gd 和 Pt 之间的互补自旋极化优化了 Pt 的电子结构，从而改善了氧中间体的吸附。此外，Gd-4f轨道的自旋屏蔽效应平衡了Pt-5d的自旋极化，增强了Pt位点的还原能力。Pt 和 Gd 之间的这种独特相互作用导致速率决定步骤的能垒显着降低，从而有助于在 Pt 2 Gd 合金中观察到优异的 ORR 性能。
基于金属有机骨架结构的稀土-铂金属间合金的成功合成不仅克服了单原子稀土元素与Pt之间的化学势差，而且还通过实验证明了ORR过程的自旋态性能依赖性。这项工作为理解自旋调制及其对电催化的深远影响开辟了新途径。这些发现为利用自旋调制策略的新型电催化剂的设计和开发提供了重要参考，有望增强 ORR 活性和催化性能。
铂-稀土合金，特别是Pt 2 Gd金属间合金中本征自旋屏蔽效应的发现，为电催化领域提供了重大突破。通过阐明自旋构型和催化活性之间的相互作用，研究人员加深了我们对优化电催化过程的自旋调制策略的理解。这项工作为创新催化剂的设计铺平了道路，并具有开发高效质子交换膜燃料电池的巨大潜力，有助于追求可持续能源解决方案。
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