铁磁性 Ni3+中心与内建电场协同激活晶格氧实现高效电催化析氧反应

针对水电解中析氧反应（OER）这一主要瓶颈，研究人员聚焦 Ni1@CoOOH (111)/C 异质结展开研究。发现碱性条件下其表面重构后以晶格氧机理（LOM）主导 OER，O-O 耦合过电位仅 0.238 V，为高性能电催化剂设计提供新方向。

　　

在清洁能源领域，电解水制氢被视为极具潜力的储能转化方式，然而析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）因动力学缓慢、过电位高，成为制约其效率的核心瓶颈。传统电催化剂多依赖金属位点的吸附演化机制（Adsorbate Evolution Mechanism, AEM），但受限于OH 与OOH 中间体结合能的线性标度关系，理论过电位难以突破 0.37 V。开发能突破标度限制的新型催化机制，尤其是晶格氧机理（Lattice Oxygen Mechanism, LOM），成为提升 OER 效率的关键科学问题。

为攻克这一难题，国内研究团队围绕磁性界面异质结电催化剂展开探索，相关成果发表于《Applied Surface Science》。研究聚焦于 Ni₁@CoOOH (111)/C 异质结，旨在揭示其在碱性条件下的自适应性晶格氧活化机制，为设计高效 OER 催化剂提供理论与实验依据。

研究采用密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算结合实验表征，核心技术方法包括：通过 VASP 软件进行第一性原理计算，分析异质结的电子结构与吉布斯自由能变化；利用表面重构表征技术，追踪 Ni₁@CoP (111)/C 向 Ni₁@CoOOH (111)/C 的结构转变过程；借助磁性与电催化性能测试，验证铁磁中心与内建电场（Built-in Electric Fields, BEFs）对 OER 动力学的协同调控作用。

电子结构与表面重构

在 pH=14 的碱性环境中，Ni₁@CoP (111)/C 异质结自发发生表面重构，转变为 Ni₁@CoOOH (111)/C 结构，此过程伴随 - 0.16 eV 的吉布斯自由能降低，表明重构具有热力学自发性。重构前，Ni²⁺中心呈抗磁性低自旋 3d⁸电子构型（t_2g⁶e_g²），通过 Ni-P 键与磷化物结合；重构后，Ni³⁺中心形成铁磁性高自旋态，引发 Jahn-Teller 畸变，使电子结构更利于氧物种吸附与耦合。

催化机理与性能突破

与原始 Ni₁@CoP (111)/C 遵循的 AEM 不同，重构后的 Ni₁@CoOOH (111)/C 以 LOM 主导 OER。理论计算表明，决速步骤 O-O 耦合所需过电位仅为 0.238 V，显著低于 AEM 的理论极限。铁磁性 Ni³⁺单原子中心通过自旋极化效应锁定电子自旋方向，促进定向电子提取；同时，异质结界面的动态内建电场加速电荷转移，二者协同降低 O-O 耦合能垒。碳壳层的存在有效抑制 Ni、Co 位点的氧化溶解与结构坍塌，确保催化剂在碱性条件下的稳定性。

关键科学意义

该研究首次在磁性异质结体系中实现碱性条件下的晶格氧高效活化，揭示了铁磁中心与内建电场对 LOM 的协同调控机制。突破了传统 AEM 的标度限制，为设计高活性、长寿命 OER 催化剂提供了 “自旋 - 电荷 - 结构” 多维度调控策略。研究结果不仅深化了对碱性环境下晶格氧活化机理的认识，也为开发基于单原子异质结的高效电催化体系开辟了新路径，对推动电解水制氢技术的实用化具有重要科学价值与应用前景。