水電解被認(rèn)為是建立由可再生能源驅(qū)動(dòng)的清潔和可持續(xù)的氫經(jīng)濟(jì)的最有希望的方法。但是，析氧反應(yīng)(OER)的緩慢動(dòng)力學(xué)限制了水電解的整體效率，阻礙了電解水技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。近年來(lái)，各種催化劑被開(kāi)發(fā)用于提升OER性能。其中，磁赤鐵礦(γ-Fe₂O₃)具有優(yōu)異的OER活性，但由于制備純相和合適納米尺寸的γ-Fe₂O₃仍存在困難，很少關(guān)于其應(yīng)用于分解水領(lǐng)域的報(bào)道。

因此，研究人員一直在探索有效的γ-Fe₂O₃制備方法，如共沉淀法、熱分解法、燃燒合成法、化學(xué)反應(yīng)法等。然而，其中一些過(guò)程操作復(fù)雜或需要額外的條件，這增加了反應(yīng)的成本。因此，目前急需需要開(kāi)發(fā)更經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友善的方法來(lái)制備γ-Fe₂O₃。

近日，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)溫州研究院宋三召和木留華等報(bào)道了一個(gè)簡(jiǎn)單的γ-Fe₂O₃制備方法，即通過(guò)引入Co離子，在500°C的條件下可以實(shí)現(xiàn)α-Fe₂O₃相向γ-Fe₂O₃相的轉(zhuǎn)變(CFO-X，X為添加的Co離子的含量)。

值得注意的是，在陽(yáng)極施加一個(gè)小的、恒定的外磁場(chǎng)，導(dǎo)致γ-Fe₂O₃催化劑的堿性O(shè)ER性能受到顯著影響。具體而言，在磁場(chǎng)和堿性條件下，F(xiàn)e₂O₃催化劑的OER性能得到顯著提高。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為200 mT時(shí)，最優(yōu)的CFO-0.40催化劑在1.67V的電位下產(chǎn)生100 mA cm^?2的電流密度，低于無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的電位(1.68 V)；同時(shí)，在200 mT磁場(chǎng)下，CFO-0.40的Tafel斜率也降低了7.2 mV dec^-1，表明外加磁場(chǎng)增強(qiáng)了OER的動(dòng)力學(xué)。因此，在恒定的外磁場(chǎng)下，催化劑本身的飽和磁化強(qiáng)度越高，外磁場(chǎng)對(duì)OER性能的增益越明顯。

理論結(jié)果表明，γ-Fe₂O₃中Fe和O原子相同的自旋構(gòu)型提供了一個(gè)自旋導(dǎo)通通道，增強(qiáng)了選擇性去除反應(yīng)物中自旋取向電子的能力，加速了三重態(tài)氧分子的積累，從而增強(qiáng)了OER反應(yīng)活性；同時(shí)，這些類(lèi)鐵磁交換效應(yīng)避免了任何自旋翻轉(zhuǎn)步驟，有利于降低動(dòng)力學(xué)勢(shì)壘，進(jìn)一步提高OER反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

綜上，該項(xiàng)工作不僅為Fe₂O₃的相轉(zhuǎn)變提供了新的策略，也為理解磁場(chǎng)作用下鐵基電催化劑的OER行為提供了新的視角。

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