Графическая абстракция. Предоставлено: ACS Nano (2022 г.). DOI: 10.1021/acsnano.2c02709

Управление вращением электронов открывает будущие сценарии для приложений в спиновой электронике (спинтронике), например, в обработке данных. Это также открывает новые возможности для контроля селективности и эффективности химических реакций. Недавно исследователи представили первые успехи на примере расщепления воды для получения «зеленых» водорода и кислорода. Совместный проект с участием рабочих групп из Центра мягких нанонаук Мюнстерского университета (Германия) и Института химии Питтсбургского университета (Пенсильвания; проф. Дэвид Вальдек) теперь имеет задачу продвижения систематического развития спиновых -селективные каталитические материалы.

С этой целью исследователи связывают каталитическую активность различных неорганических спин-поляризующих материалов с прямыми измерениями спиновой селективности. Основное внимание уделяется оксидным материалам, которые были специально выращены с хиральной структурой. Кроме того, исследователи также хотят исследовать происхождение спиновой поляризации в этих хиральных материалах. Результаты первоначального исследования слоев хирального оксида меди были опубликованы в журнале ACS Nano.

Кратко о результатах

Группа немецких и американских исследователей впервые исследовала хиральные оксидные катализаторы, состоящие в данном случае из тонких слоев хирального оксида меди на тонкой пленке золота. Измеренные данные показывают, что спиновая поляризация электронов зависит от того, из какого из этих слоев приходят электроны. Команда считает, что за это ответственны два эффекта: эффект спиновой селективности, вызванный хиральностью (CISS), и магнитное расположение в хиральных слоях. Результаты должны помочь в будущем производстве спин-селективных каталитических оксидных материалов, что повысит эффективность химических реакций.

Пример топливных элементов: нежелательный спин электронов снижает эффективность

В топливных элементах водород и кислород реагируют друг с другом и образуют воду, при этом выделяется электрическая энергия. Водород, возможно, ранее производился посредством обратного процесса, расщепляя молекулы воды на водород и кислород. Энергия, необходимая для этого, может быть обеспечена электроэнергией из регенеративных источников энергии или непосредственно солнечным светом, так что в будущем водород может служить источником энергии в энергетическом цикле, спроектированном так, чтобы быть CO 2 -нейтральным.

Что сдерживает любую масштабную коммерциализацию концепции — например, в электромобилях, работающих на топливных элементах — это, в том числе, низкий КПД. Для разрушения молекул воды необходимо затратить много энергии, а это означает, что в настоящее время дешевле использовать эту энергию непосредственно для подзарядки автомобильного аккумулятора. Эта более низкая эффективность разрушения молекул воды является следствием не только высокого перенапряжения, необходимого для образования кислорода на аноде электролизера, но и образования нежелательных побочных продуктов, таких как перекись водорода и электронно-возбужденный кислород. Из-за своей высокой реакционной способности эти побочные продукты также могут воздействовать на материал электрода. Оба побочных продукта находятся в так называемом синглетном состоянии, в котором спины электронов, участвующих в молекулярных связях, ориентированы антипараллельно друг другу. В желаемом продукте реакции — кислороде в основном электронном состоянии — это не так, потому что он образует триплетное состояние со спинами, выровненными параллельно, и, таким образом, генерация только одного направления спина помогает достичь желаемого состояния кислорода.

Новый подход: оксидный катализатор создает желаемый электронный спин

Это новый подход, поскольку в нем спины радикалов, адсорбированных на поверхности катализаторов, из которых образуются побочные продукты, располагаются параллельно. Такое параллельное выравнивание электронных спинов может быть достигнуто с помощью хирального материала. В этом случае перенос электронов через электроды вследствие эффекта СНПЧ или за счет изменения структуры оксида может быть спин-селективным. Вследствие этого подавляется образование молекул в нежелательном синглетном состоянии и увеличивается выход водорода.

Хотя исследователи успешно продемонстрировали спин-селективный катализ, до сих пор нет полного понимания происхождения эффекта СНПЧ. Показана спин-селективная передача электронов через спиральные, а значит, и хиральные молекулы. Однако более поздние исследования показывают, что спин-селективная передача также происходит в неорганических, немолекулярных хиральных материалах. Неорганические спин-фильтрующие поверхности химически более стабильны, чем хиральные молекулярные слои, и допускают более высокие плотности тока в контексте спин-селективного катализа.

Текущее исследование в деталях

В опубликованном исследовании ведущий автор Пол Мёллерс, доктор философии. Студент Мюнстерского университета исследовал пленки хирального оксида меди толщиной всего в несколько нанометров, которые ранее были электрохимически осаждены в хиральной форме на тонкие золотые подложки исследователями из Питтсбурга. Импульсы УФ-лазера использовались для стимуляции фотоэлектронов из образцов и измерялась их средняя спиновая поляризация (в спиновом поляриметре, основанном на «рассеянии Мотта»). В зависимости от того, были ли удары по образцам с лицевой стороны, покрытой оксидом, или с обратной стороны, при этом из золотой подложки или из самих оксидных пленок эмитировались электроны с разной энергией в разных пропорциях. Сопоставив распределение энергии с измеренными значениями спиновой поляризации,

Электроны с золотой подложки фильтруются по спину за счет эффекта СНПЧ при прохождении через киральный слой. Электроны из хирального оксида меди имеют противоположную спиновую поляризацию, и в случае пленок толщиной более 40 нанометров наблюдается преобладание этих электронов оксида меди. Дополнительные измерения, проведенные рабочей группой под руководством профессора Хайко Венде с физического факультета Университета Дуйсбург-Эссен, позволяют предположить, что это отражает магнитное расположение хиральных слоев, которое не наблюдается в нехиральных оксидных пленках с тем же сочинение.

Чтобы подтвердить эту гипотезу, экспериментальная установка в Мюнстере будет расширена за счет возможности измерения спиновой поляризации электронов, зависящей непосредственно от их энергии. Дальнейшие измерения хиральных пленок оксидов меди и кобальта позволят не только провести четкое различие между обоими механизмами поляризации, но и специально разработать хиральные неорганические спин-селективные каталитические материалы.