近日，化学与化工学院易涛教授领衔的智能化健康管理团队陈前进研究员课题组在单颗粒电催化领域取得了重要突破进展。该工作近期以《单颗粒电化学探测手性金纳米晶自旋极化调控的析氧反应》（Spin-Polarization Tailored Oxygen Evolution of Chiral Gold Nanocrystals Probed by Single-Particle Electrochemistry）为题发表在国际知名期刊《美国化学会-纳米》（ACS Nano）上。
析氧反应（OER）是电解水等能源转换技术中的关键步骤，其动力学缓慢，主要受限于复杂的四电子转移及单重态–三重态自旋转变。手性诱导的自旋选择性（CISS）效应通过使电子发生自旋极化，有望降低反应能垒，但手性形貌如何定量影响催化活性尚不明确。本工作首先以手性半胱氨酸为形貌导向剂，合成了螺旋程度精确可调的D型、L型及非手性金纳米晶（D Au I/II/III、L Au III、Rac Au III），并通过扫描电镜确认了其形貌与尺寸均一性。随后，利用圆二色光谱和磁诱导原子力显微镜（mc AFM）分别表征了其手性光学活性和自旋极化率（D /L Au III分别达−70.6%和68.9%）。在此基础上，采用扫描电化学池显微镜（SECCM）在单个纳米晶上测量了单颗粒的析氧反应电流。
单颗粒测量结果显示，手性D 和L Au III的OER平均电流（约59和57 pA）比非手性Rac Au III（约34 pA）提高约70%，且随着形貌螺旋程度从D Au I到D Au III递增，活性也依次升高，单因素方差分析表明活性差异具有高度统计显著性（p < 0.001）。更重要的是，经颗粒表面积归一化后，三种D型颗粒的电流密度与各自的自旋极化率呈线性正相关，直接证实CISS效应是催化增强的本源。宏观测试验证了相同趋势，但单颗粒方法避免了团聚与传质限制，揭示了颗粒间的活性异质性。该工作首次在单颗粒层面建立了“手性形貌-自旋极化-催化活性”的定量构效关系，为开发高效自旋选择性电催化剂提供了新的设计思路。
该研究工作得到了国家自然科学基金的资助。化学与化工学院2022级博士研究生周华旭为论文的第一作者，陈前进研究员为论文的通讯作者，东华大学为第一通讯单位，合作者为上海交通大学的方宇熙和张晥宁博士。
文章DOI：10.1021/acsnano.6c05258
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