CN114823021A - 一种具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂，其包括反铁磁层和设置在所述反铁磁层上的顺磁层。其中，所述反铁磁层的奈尔温度高于室温，且所述顺磁层的厚度小于5纳米。这种具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂，在反铁磁近邻效应作用下实现顺磁层的室温铁磁性，因而在外加磁场磁化后析氧反应性能可以得到永久提升。
Description
技术领域
本发明属于电催化技术领域，具体涉及析氧反应电催化剂。
背景技术
析氧反应（Oxygen evolution reaction，OER）是水裂解、CO2还原和金属空气电池等众多电化学储能和转换技术中的关键过程。但OER的四电子过程动力学缓慢，从根本上限制了其反应效率。近年来，理论和实验研究表明铁磁（Ferromagnetic，FM）电催化剂利用自旋相关动力学可降低OER动力学势垒（即从自旋平行排列的氧原子到具有三重基态的氧分子的过程），从而提高反应效率。此外，得益于电子自旋的非易失性，铁磁电催化剂无需外磁场的持续作用，这对于解决工业应用中通过在电解槽上施加外部磁场带来的设备不兼容和额外的成本挑战问题非常重要。然而，大多数成本效益好的电催化剂在室温下是非铁磁性的，因此如何实现顺磁（Paramagnetic，PM）催化剂的铁磁性对于进一步提高OER性能具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于至少解决上述问题中的一部分或全部。
本发明的一个方面提供一种具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂，其包括反铁磁层和设置在所述反铁磁层上的顺磁层。在反铁磁（Antiferromagnetic，AFM）/顺磁异质结构中的反铁磁近邻效应（一种长程自旋相互作用）作用下，实现顺磁催化剂室温铁磁性，提高析氧反应性能。其中，所述反铁磁层的奈尔温度高于室温，且所述顺磁层的厚度小于5纳米，在反铁磁近邻效应作用范围之内。
在一个示例中，所述反铁磁层和顺磁层为范德瓦尔斯材料或非范德瓦尔斯材料。
在另一示例中，所述反铁磁层由以下项中的至少一个形成：反铁磁金属、反铁磁半金属、反铁磁半导体、反铁磁超导体、反铁磁面内磁各向异性材料、反铁磁面外磁各向异性材料、有机反铁磁材料和无机反铁磁材料。
在另一示例中，所述顺磁层由以下项中的至少一个形成：顺磁金属、顺磁半金属、顺磁半导体、顺磁超导体、有机顺磁材料和无机顺磁材料。
本发明的另一方面提供了具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂的应用，其用于外加磁场磁化后析氧反应性能永久提升。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂的示例结构的侧视图。
图2示出了根据本发明实施例的反铁磁近邻效应示意图。
图3示出了根据本发明实施例的自旋平行排列的两个氧自由基产生三重态氧的示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所介绍的发明实施例仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范畴。
其次，本发明结合附图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述附图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本发明提出了一种具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂。根据本发明实施例的具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂可以包括反铁磁层和设置在所述反铁磁层上的顺磁层，其中，所述反铁磁层的奈尔温度高于室温，且所述顺磁层的厚度小于5纳米。
奈尔温度是指使反铁磁材料的反铁磁转变温度。顺磁层的厚度小于5纳米，确保在反铁磁近邻效应作用范围之内。
图1示出了根据本发明实施例的具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂的示例结构。图2示出了根据本发明实施例的反铁磁近邻效应示意图。另外，图3示出了根据本发明实施例的自旋平行排列的两个氧自由基产生三重态氧的示意图。以下，将详细参考附图描述本发明的实施例。
图1示出了根据本发明实施例的具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂的示例结构的侧视图。如图1所示，具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂可以包括反铁磁层和设置在所述反铁磁层上的顺磁层，其中，所述反铁磁层的奈尔温度高于室温，且所述顺磁层的厚度小于5纳米。
图2示出了根据本发明实施例的反铁磁近邻效应示意图。在顺磁/反铁磁异质结构中的反铁磁近邻效应（一种长程自旋相互作用）作用下，实现顺磁催化剂室温铁磁性（自旋极化）。
图3示出了根据本发明实施例的自旋平行排列的两个氧自由基产生三重态氧的示意图。顺磁催化剂的自旋极化，利用自旋相关动力学可降低析氧反应动力学势垒（即从自旋平行排列的氧原子到具有三重基态的氧分子的过程），从而提高析氧反应性能。
在一个实施例中，所述反铁磁层和顺磁层可以实现为范德瓦尔斯材料或非范德瓦尔斯材料。
在本文中，层间由范德瓦尔斯力结合的材料可以称为范德瓦尔斯材料，且层间由除了范德瓦尔斯力结合的材料可以称为非范德瓦尔斯材料。
在另一实施例中，所述反铁磁层由以下项中的至少一个形成：反铁磁金属、反铁磁半金属、反铁磁半导体、反铁磁超导体、反铁磁面内磁各向异性材料、反铁磁面外磁各向异性材料、有机反铁磁材料和无机反铁磁材料，例如IrMn、NiMn、FeO、CoO、NiO等反铁磁材料。
此外，在再一实施例中，所述顺磁层由以下项中的至少一个形成：顺磁金属、顺磁半金属、顺磁半导体、顺磁超导体、有机顺磁材料和无机顺磁材料，例如Al、Mg、Li、Na、K等顺磁材料。
以上描述了根据本发明实施例的具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂。如上所述，根据本发明实施例的具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂的反铁磁/顺磁界面存在反铁磁近邻效应，在反铁磁近邻效应作用下可实现顺磁催化剂室温铁磁性，降低催化剂析氧反应动力学势垒，从而根本上提高析氧反应性能。因此，根据本发明的实施例的具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂对水裂解、CO2还原和金属空气电池等众多电化学储能和转换技术的发展具有十分重要的意义。
根据本发明的实施例的具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂，得益于电子自旋的非易失性，可以用于外加磁场磁化后析氧反应性能的永久提升（无需外磁场的持续作用），这可以避免在实际催化应用中由于施加外磁场导致的设备不兼容和额外的成本问题。
这里描述了一些实施例，仅通过实施例的形式对本发明进行说明，而非限制本发明的保护范围。正如本领域的专业技术人员容易理解的那样，凡根据本发明的构思和精神进行的任何形式和细节上的修改、变化或等同替换所实现的技术，皆应包含在本发明保护范围之内。本发明保护范围由所附权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂，包括反铁磁层和设置在所述反铁磁层上的顺磁层；所述反铁磁层的奈尔温度高于室温；所述顺磁层的厚度小于5纳米，在反铁磁近邻效应作用范围之内。
2.根据权利要求1所述的具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂，其特征在于，所述反铁磁层和顺磁层为范德瓦尔斯材料或非范德瓦尔斯材料。
3.根据权利要求1所述的具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂，其特征在于，所述反铁磁层由以下项中的至少一个形成：反铁磁金属、反铁磁半金属、反铁磁半导体、反铁磁超导体、反铁磁面内磁各向异性材料、反铁磁面外磁各向异性材料、有机反铁磁材料和无机反铁磁材料。
4.根据权利要求1所述的具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂，其特征在于，所述顺磁层由以下项中的至少一个形成：顺磁金属、顺磁半金属、顺磁半导体、顺磁超导体、有机顺磁材料和无机顺磁材料。
5.根据权利要求1所述的具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂在析氧反应中的应用。
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