周豪慎Angew：PtFe 簇中的自旋选择性通道助力Li-O2电池

顶刊收割机 · 公众号 · · 2025-01-03 07:01

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在Li-O₂电池（LOBs）中，三线态O₂与单线态Li₂O₂之间的电子转移与自旋有关，但这一点往往被忽视。而通过不损失相信息的自旋守恒电子转移，能够实现快速电子转移动力学，并降低电子转移的能垒。

在此， 南京大学周豪慎团队 提出了一种能够在Li-O₂电池中实现自旋选择催化的策略：即在完全暴露的PtFe团簇中，Pt和Fe原子之间的铁磁量子自旋交换作用（QSEI）能够筛选定向电子自旋，从而在Fe-Fe位点实现自旋守恒电子转移。

理论计算表明，该机制显著加速了O₂/Li₂O₂氧化还原反应的动力学。基于此，组装的Li-O₂电池在100 mA/g电流密度下，实现了89.6%的超高能量转化效率，放电-充电过电位仅为0.32 V。

图1. 自旋选择性催化的计算研究

总之，该工作通过采用由一个Pt原子与六个Fe原子配位组成的特定原子结构的全暴露团簇催化剂（FECC），可以有效实现自旋选择性催化，从而加速O₂/Li₂O₂氧化还原反应的动力学。计算表明，Pt和Fe原子之间的铁磁量子自旋交换作用（QSEI）会在Fe原子上诱导不平衡的自旋向上态，进而形成自旋选择性催化路径。研究发现，Fe-Fe位点为活性位点，而非传统PGM合金中的PGM位点。

在此机制下，三线态O₂与单线态Li₂O₂之间的自旋守恒电子转移促进了快速的反应动力学，大幅降低了反应势垒，并在析氧反应（OER）中实现了从（Li₂O₂）₂到Li₂O₂的自旋不相关决速步（RDS），而非传统的从LiO₂到O₂的自旋相关步骤。基于此，基于PtFec/NC的Li-O₂电池显示出优异的电池性能。因此，该工作为通过自旋电子学催化加速O₂/Li₂O₂氧化还原反应动力学提供了一种新策略。

图2. 锂氧电池（LOBs）的电化学性能

The Spin-Selective Channels in Fully-Exposed PtFe Clusters Enable Fast Cathodic Kinetics of Li-O2 Battery, Angewandte Chemie International Edition 2024 DOI: 10.1002/anie.202418893