過渡金屬在析氧反應(yīng)（Oxygen evolution reaction）過程中通常會發(fā)生電化學(xué)重構(gòu)現(xiàn)象，生成的過渡金屬羥基氧化物（MOOH，其中M為過渡金屬）具有高催化活性和低成本，是一種有望替代貴金屬Ir/Ru的催化劑。然而，過渡金屬羥基氧化物非晶形態(tài)導(dǎo)電性差的問題從根本上限制了其電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)。在此研究背景下，通過與高導(dǎo)電限域基體充分接觸構(gòu)建空間限域結(jié)構(gòu)是解決當(dāng)前過渡金屬羥基氧化物導(dǎo)電性差的有效方案之一。另一方面，近年來許多研究表明鐵磁納米顆粒催化劑在交變磁場下將產(chǎn)生磁加熱效應(yīng)，從而提高其催化性能。鐵磁納米顆粒的磁加熱效應(yīng)主要由布朗弛豫（Brownian relaxation）和奈爾弛豫（Néel relaxation）這兩種機(jī)制決定。布朗弛豫有關(guān)的磁加熱效應(yīng)涉及鐵磁納米顆粒的物理旋轉(zhuǎn)，這將可能導(dǎo)致催化劑的脫離或微觀排布的變化，導(dǎo)致催化劑性能下降。而奈爾弛豫有關(guān)的磁加熱效應(yīng)是由催化劑磁矩在交變磁場下的持續(xù)翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，不涉及納米顆粒的物理旋轉(zhuǎn)。因此，相比之下，奈爾弛豫有關(guān)的磁加熱效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)鐵磁納米顆粒在交變磁場作用下獲得性能穩(wěn)定提升的有效方式。近期，江西師范大學(xué)袁彩雷教授團(tuán)隊(duì)在利用脈沖激光沉積成功制備限域在高導(dǎo)電碳基體中NiFe納米顆粒的基礎(chǔ)上，結(jié)合電化學(xué)重構(gòu)技術(shù)獲得了超順磁NiFe/NiFeOOH核殼異質(zhì)結(jié)納米顆粒。電化學(xué)測試表明，NiFe/NiFeOOH核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒催化劑具有優(yōu)異的OER催化活性和穩(wěn)定性。更重要的是，得益于奈爾弛豫有關(guān)的磁加熱效應(yīng)，超順磁NiFe/NiFeOOH核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒催化劑在交變磁場下可以實(shí)現(xiàn)OER性能的顯著提升。這項(xiàng)工作不僅表明構(gòu)建空間限域結(jié)構(gòu)是解決非晶過渡金屬羥基氧化物導(dǎo)電性差問題的有效途徑，而且還揭示了奈爾弛豫有關(guān)的磁加熱效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)鐵磁納米顆粒催化劑性能穩(wěn)定提升的有效方式。
圖1. 電化學(xué)重構(gòu)制備核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒和在交變磁場作用下的磁加熱效應(yīng)示意圖。
圖2. 限域型NiFe納米顆粒和NiFe/NiFeOOH核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒結(jié)構(gòu)表征及磁學(xué)特性。
圖3. NiFe/NiFeOOH核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)OER理論計(jì)算。
圖4. NiFe/NiFeOOH核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒催化劑在有無交變磁場作用下的OER性能測試。
圖5. NiFe/NiFeOOH核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒催化穩(wěn)定性測試。研究成果近期以“Electrochemical reconstruction of NiFe/NiFeOOH superparamagnetic core/catalytic shell heterostructure for magnetic heating enhancement of oxygen evolution reaction”為題發(fā)表在Small上，并被評選為期刊封面（Inside Front Cover）。袁彩雷教授課題組碩士研究生彭東權(quán)和胡策博士為論文的共同第一作者，通訊作者為袁彩雷教授，江西師范大學(xué)為論文的第一單位。該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委、江西省主要學(xué)科學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人培養(yǎng)計(jì)劃-領(lǐng)軍人才項(xiàng)目以及江西省自然科學(xué)基金委等的支持。文章鏈接如下：https://doi.org/10.1002/smll.202205665
