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催化剂也有脾气？那么一个高效的催化剂是温婉动人，成熟稳重，还是性烈如火？人有多重性格，催化剂亦如此。从电子自旋的角度出发，活性优异的催化剂应该是“温文尔雅”的。一方面，自旋-自旋的耦合作用会产生一定强度的杂散磁场，有利于O2分子（基态为顺磁性）的吸附；另一方面，这种耦合作用不能太强，否则不利于O2分子脱附。今天就给大家介绍一种具有这样性格的ORR/OER双效催化剂。

商用氧还原（ORR）和氧析出（OER）催化剂一般为贵金属，其广泛应用受高昂价格和不稳定性的限制。具有原子级分散的M1-Nx-C和M1-M2-Nx-C（M1, M2代表过渡金属），具有价廉、高效等优势，有望替代传统贵金属催化剂。尽管如此，由于目前实验方法缺乏对原子位点的精确控制，建立催化活性与微观结构之间的内在联系仍是一项极具挑战的工作。另一方面，与电荷（charge）一样，自旋（spin）也是电子的内禀性质之一。过渡金属的d轨道较窄，不同自旋方向的电子能带发生自旋劈裂，导致自旋极化（spin-polarized）的电子结构和自旋磁化率（spin magnetization）的出现。双金属掺杂中一个不容忽视的问题就是金属间的自旋-自旋偶尔作用以及其对催化活性的影响。

近日，燕山大学王静课题组联合加拿大萨斯喀彻温大学（University of Saskatchewan）的John Tse教授以及上海大学赵玉峰教授基于密度泛函理论（DFT）的研究发现，半金属这种特殊的能带结构具有良好的ORR/OER双效催化能力。研究以Fe、Co双金属嵌入石墨烯（FeCoNx-gra，x=1-6）为原型，通过自旋极化的计算发现，CoN4-gra、FeFeN6-gra、FeCoN4-gra(III)、FeCoN5-gra(I)和FeCoN6-gra(II)（图1）可以在酸性介质中表现出优异的ORR/OER双效催化性能（图5）。这是因为，催化剂中极化了的过渡金属之间产生了一种铁磁耦合作用（Ferromagnetism, FM），形成了杂散磁场（stray field），有利于对顺磁态O2分子的吸附。另一方面，在OER过程中，杂散场的存在有利于O原子中未成对电子自旋方向的保持（spin conservation），这对O-O键的形成是有利的。进一步的研究发现，正是半金属这种独特的电子结构（一个自旋方向具有金属性，一个自旋方向具有绝缘性）中，即实现了过渡金属的自旋极化，同时极化的程度又不是很强（金属性说明巡游电子存在），保证了O2吸附/脱附顺利进行。因此，吸附位点的自旋磁矩（spin moment）可以作为催化活性的“描述符（descriptor）”。本研究首次构建了催化剂的宏观活性与微观电子结构的直接联系，而吸附位点的原子磁矩可以作为二者之间的“桥梁”，为实验定向研究提供参考方向。该研究成果发表在国际知名期刊J. Mater. Chem. A。