OER被认为是可再生清洁能源最关键的反应之一，其被广泛认为是一种自旋禁阻反应，需要在碱性条件下从OH–的单自旋转态变为三重态氧。因此，需要同时克服热力势垒和自旋势垒。3d金属催化剂可以通过其对不同氧中间体形成的影响来影响整个OER过程。
尽管已经进行了广泛的研究来调节3d金属催化剂的电子结构，但它们的自旋态和磁性在OER中的作用未被完全揭示。大量研究已经证明金属催化剂在自旋禁阻反应中的磁催化作用的重要性。
然而，催化剂的固有磁性能，如磁定序温度、饱和磁化、矫顽场等，以及它们与自旋极化效应的关系仍然不清楚。为了通过调制OER催化剂的电磁轨道来提高其固有效能，已经付出了巨大的努力，而如何操纵3d金属催化剂的磁性能以实现磁场辅助提高OER性能仍然是一个重大的挑战。
尖晶石镍钴酸盐因其独特的3d电子排布，具有简单且稳健的结构和良好的OER性能。此外，它的电子结构可以进行微调，为探究本征磁性与磁场辅助OER性能之间的相关性提供了理想的平台。
基于此，大连理工大学刘涛课题组通过[Fe]Oh掺杂策略，成功合成了一系列具有不同磁性结构的NiCo2-xFexO4催化剂，并详细研究了催化剂本征磁性与磁场增强OER活性之间的关系。磁性和电催化分析表明，[Co]Oh电子结构可以通过适当的Fe掺杂方法优化到更高的自旋态和更强的铁磁耦合，这种铁磁增强效应有助于催化性能的提高。同时，研究人员还建立了磁化与磁场辅助OER活性的增强之间的线性相关性。
具体而言，在磁场辅助下，铁磁增强的NiCo1.6Fe0.4O4 (Ms=8.6 emu g-1)在10 mA cm-2电流密度下的过电位仅为253 mV，Tafel斜率为74 mV dec-1，比无磁场时分别降低了31.5%和14.6%。相比之下，在Ms最低(4.5 emu g-1)的NiCo1.2Fe0.8O4上观察到磁场的最小影响，在施加磁场后其过电位和Tafel斜率仅分别减小了2.3%和2.6%。
实验和理论计算结果表明，随着尖晶石催化剂的饱和磁化强度的增加，可以实现更强的内部磁场和界面上的交换相互作用，从而导致氧化中间体的更高效极化和速率控制步骤的较低动力学势垒，最终使得快速形成三重态分子氧。综上，该项研究突出了磁相互作用在调节催化活性中的关键作用，为未来开发高效的OER或其他反应的催化剂提供了理论基础。
Manipulating the intrinsic magnetism of spinel catalyst toward magnetic field-enhanced OER. ACS Catalysis, 2025.DOI: 10.1021/acscatal.5c00081