Spin Crossover-driven Diiron Electrocatalyst Boosts Sustainable Water Oxidation, Nature Sustainability 8, 793–805(2025)
自旋轉換驅動的雙鐵中心電催化劑顯著提升水分解產氧效率
Ching-Wei Tung, Wei Zhang*, Tai Ying Lai, Jiali Wang, You-Chiuan Chu, Guan-Bo Wang, Chia-Shuo Hsu, Yen-Fa Liao, Nozomu Hiraoka, Hirofumi Ishii, Xiao Cheng Zeng*, Hao Ming Chen*
2025/12/12
電化學二氧化碳還原與水氧化反應是邁向永續能源轉型的重要途徑，但其中的氧氣演化反應（OER）因動力學遲滯與對貴金屬材料的依賴，長期構成效率瓶頸。為此，我們開發並研究了一種以地球豐存元素為基礎的高活性雙鐵電催化劑，於 10 mA cm⁻² 僅需 184 mV 過電位，並在連續操作 1,000 小時中維持極佳穩定性。此催化劑的關鍵反應能力源自自旋轉換驅動的二聚化機制，使雙鐵中心在反應過程中展現可調變的電子結構，有利於形成高活性的氧中間體。
為揭示此電子結構調控的核心機制，我們利用同步輻射 X 光光譜技術直接觀察催化中心在反應過程中的變化。Kβ 之X光放射光譜（Kβ XES）清楚捕捉到雙鐵中心在催化運作中發生的自旋態轉換，而這種自旋切換同時伴隨局域結構的重新排列，顯著影響金屬–配位共價性並調整 Fe–O 鍵結特性。此外，HERFD-XAS 與 Kβ RIXS 的結果共同指向一個關鍵結論：雙鐵中心在結構重組後，其電子能態分布朝向更有利於與氧物種形成強鍵結的方向演化，進而提升 OER 活性，而此電子能階的重塑正是催化反應效率大幅提升的核心關鍵。
總結而言，雙鐵催化劑的高活性並非僅由結構穩定性所決定，而是源自自旋態、局域結構與電子能態之間的協同調控。透過高解析度 X 光光譜的直接佐證，我們得以清楚建立電子結構調變如何決定催化中心的反應能力，從而揭示電子結構與催化活性之間的本質關聯。
研究動態
