​宋三召/木留华ACS Catalysis：Co离子诱导Fe2O3相转换，实现磁场下强化水氧化活性

水电解被认为是建立由可再生能源驱动的清洁和可持续的氢经济的最有希望的方法。但是，析氧反应(OER)的缓慢动力学限制了水电解的整体效率，阻碍了电解水技术相关产业的进一步发展。近年来，各种催化剂被开发用于提升OER性能。其中，磁赤铁矿(γ-Fe₂O₃)具有优异的OER活性，但由于制备纯相和合适纳米尺寸的γ-Fe₂O₃仍存在困难，很少关于其应用于分解水领域的报道。

因此，研究人员一直在探索有效的γ-Fe₂O₃制备方法，如共沉淀法、热分解法、燃烧合成法、化学反应法等。然而，其中一些过程操作复杂或需要额外的条件，这增加了反应的成本。因此，目前急需需要开发更经济和环境友善的方法来制备γ-Fe₂O₃。

近日，中国科学院大学温州研究院宋三召和木留华等报道了一个简单的γ-Fe₂O₃制备方法，即通过引入Co离子，在500°C的条件下可以实现α-Fe₂O₃相向γ-Fe₂O₃相的转变(CFO-X，X为添加的Co离子的含量)。

值得注意的是，在阳极施加一个小的、恒定的外磁场，导致γ-Fe₂O₃催化剂的碱性OER性能受到显著影响。具体而言，在磁场和碱性条件下，Fe₂O₃催化剂的OER性能得到显著提高。当磁场强度为200 mT时，最优的CFO-0.40催化剂在1.67V的电位下产生100 mA cm⁻²的电流密度，低于无磁场时的电位(1.68 V)；同时，在200 mT磁场下，CFO-0.40的Tafel斜率也降低了7.2 mV dec^-1，表明外加磁场增强了OER的动力学。因此，在恒定的外磁场下，催化剂本身的饱和磁化强度越高，外磁场对OER性能的增益越明显。

理论结果表明，γ-Fe₂O₃中Fe和O原子相同的自旋构型提供了一个自旋导通通道，增强了选择性去除反应物中自旋取向电子的能力，加速了三重态氧分子的积累，从而增强了OER反应活性；同时，这些类铁磁交换效应避免了任何自旋翻转步骤，有利于降低动力学势垒，进一步提高OER反应动力学。

综上，该项工作不仅为Fe₂O₃的相转变提供了新的策略，也为理解磁场作用下铁基电催化剂的OER行为提供了新的视角。

Modulation of the phase transformation of Fe₂O₃ for enhanced water oxidation under a magnetic field. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.3c05032