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研究内容      

电催化析氧反应(OER)是水分解、可充电金属-空气电池和可逆燃料电池等可持续能源转换和存储设备的重要过程。具有金属-氮-碳(M-N-C)构型的过渡金属单原子电催化剂(SACs)在OER中显示出巨大的潜力，其中允许依赖自旋的电子沿着反应物(OH-/H2O，单重态自旋态)和产物(O2，三重态旋转态)转移。因此，必须调节M-N-C中的自旋构型，增强自旋敏感的OER能量学，这仍然是一个重大挑战。            

上海大学赵玉峰、北京大学侯仰龙和燕山大学王静通过在Fe-N-C结构中引入主族元素(Mg)，报道了局部场畸变诱导的中低自旋跃迁，并探究了OER活性增强的潜在来源。结果发现，所获得的Mg/Fe双位点(Mg/Fe-N-C)催化剂在总的水分解中表现出优异的OER活性，在10 mA cm-2下的过电位为224 mV，在10 mA cm-2下电解电压仅为1.542 V，这优于最先进的过渡金属SACs。相关工作以“Improving Electrocatalytic Oxygen Evolution through Local Field Distortion in Mg/Fe Dual-site Catalysts”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。    

研究要点            

要点1. 作者提出了在Fe-N-C结构中引入主族元素(Mg)，在催化剂中Fe2+的局部晶场畸变诱导的高自旋(IS)到低自旋(LS)自旋跃迁，可增强OER的活性。           

 要点2. Mg参与的影响是双重的：（i）离子半径的失配(rMg2+=7.2 ?，rFe2+=6.1?)导致局部晶体场畸变，提高Fe dz2的能级，刺激IS到LS的有利自旋跃迁。由于LS状态下形成的键序较小，ΔG*O减轻；（ii）Mg位点对*OH和*OOH中间体表现出与Fe类似的键合相互作用，导致它们的双位点吸附构型。有助于保持ΔG*OOH和ΔG*OH的亲和力。                

要点3. 制备的Mg/Fe-N-C催化剂表现出优异的OER性能，在10 mA cm-2时具有224 mV的小过电位，Tafel斜率为51.74 mV dec-1，优于原子分散的催化剂。此外，以Mg/Fe-N-C作为阳极催化剂的组装双电极系统在10 mA cm-2下的电解电压仅为1.542 V，超过了商业基准。