迪肯大学余宝智博士，YingIanChen教授团队AS发文：磁场驱动电催化：基于可调磁性纳米催化剂揭示锂氧电池中增强的氧反应机制

锂氧电池（Li-O₂电池）因其高达3500 Wh kg⁻¹的理论能量密度，被视为突破传统锂电瓶颈的关键技术，在电动汽车与航空航天等高能需求领域具有广阔应用前景。然而，其实际应用仍受限于反应动力学缓慢、过电位高、产物堆积、电极界面不稳定以及循环寿命短等问题，导致能量效率低、倍率性能差，严重阻碍其商业化进程。为应对上述挑战，研究者们提出了多种策略，包括优化电极结构、设计高效电催化剂、改进电解液系统等，但多数方案仍局限于内部材料调控，难以同时解决氧还原（ORR）与氧析出（OER）反应中的动力学与传输瓶颈。近年来，磁场等外场辅助技术逐渐崭露头角。相比光场和电场，磁场具有无损、穿透强、操作便捷等优势，尤其在含顺磁性气体（如O₂）和带电粒子（如Li⁺）的体系中，可通过Kelvin力与Lorentz力加速反应物迁移，有望有效提升反应动力学与电池整体性能。

近日，迪肯大学余宝智博士，Ying Ian Chen教授团队在国际知名期刊《Advanced Science》发表题为“Magnetic Field‐Driven Catalysis: Revealing Enhanced Oxygen Reactions in Li‐O₂ Batteries Using Tailored Magnetic Nanocatalysts”的研究论文。研究构建了具有可调磁性的Mn-Co-Fe氧化物电催化剂，结合外加静态磁场，系统揭示了磁性强度与电池性能提升之间的定量关系。该工作为理解磁场驱动电催化过程及其在高性能锂氧电池中的应用奠定了基础。

本研究通过溶剂热法合成了三种Mn-Co-Fe三元氧化物（MCF1、MCF2、MCF3），系统调控Mn和Co的掺杂比例以实现对催化剂磁性的精准控制。材料的磁化强度（Ms）由高到低依次为MCF1 > MCF2 > MCF3，分别达到75、58和49 emu g⁻¹。。磁性调控不仅改变了材料的物理属性，更为其在磁场辅助电催化反应中发挥独特作用提供了材料基础。

在固定电流密度（200 mA g⁻¹）下对三种催化剂分别进行放电-充电测试，结果表明在外加静态磁场（120 mT）作用下，所有电池的放电比容量均显著提高，且过电位降低。其中MCF1为代表的高磁性催化剂使电池比容量从8143提升至12455 mAh g⁻¹，提升幅度达52.9%，并将过电位从1.605 V降低至1.497 V。这种性能提升不仅体现在单次放电行为中，在500 mA g⁻¹的倍率条件下也表现出优异的循环稳定性（>200小时），说明磁场辅助策略对电池长效运行具有实质性促进作用。

该工作通过COMSOL多物理场模拟和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了磁场在催化过程中的多重物理作用机制。磁性催化剂在外加磁场下形成局域磁场，产生Kelvin力和Lorentz力，分别加速了O₂分子和Li⁺离子的定向迁移，显著提升了反应界面处的质量传输效率。此外，DFT计算表明，磁场显著降低了Li₂O₂生成与分解的能垒，Li₂O₂吸附能从–5.37 eV降至–3.34 eV，充电过程所需的过电位降低超过2.4 V，表明磁场对反应路径具有深远影响。

本研究系统建立了磁性催化剂—磁场协同增强氧电极反应的结构—性能关系，明确了磁场在锂氧电池体系中不仅仅是物理扰动工具，更是可以实质性参与并调控反应路径与产物形貌的活性因子。通过引入可调磁性Mn-Co-Fe氧化物，并结合理论计算与多物理场模拟，作者揭示了磁场通过Kelvin力与Lorentz力提升O₂与Li⁺的迁移效率，改善反应动力学，降低电极极化与产物堆积，最终实现显著的比容量提升与循环稳定性增强。相比传统从材料本身出发的结构优化方法，磁场调控具有无接触、可控强度、可广泛适配等优势，具备良好的拓展性与工程可行性。未来，该“磁场驱动电催化”策略不仅有望应用于Li-O₂电池体系，也可推广至金属空气电池、水分解、电催化CO₂还原等多种涉及气体扩散与离子迁移的电化学反应体系中，为构建高能量密度、低能耗、长寿命的下一代储能与催化技术提供理论依据与方法参考。随着磁性材料与场控电化学的发展协同深入，该领域有望成为推动电化学储能技术变革的关键前沿方向之一。

余宝智，迪肯大学前沿材料研究院研究员，博士生导师。主要从事先进储能材料，器件和技术的设计，研发及产业化。主持了多项锂硫电池研发和产业化的工业项目，以及澳大利亚新安全可靠的能源存储和转换技术研究中心(Australian Research Council’s Research Hub in New Safe and Reliable Energy Storage and Conversion Technologies)全固态锂硫电池研究项目。在国际知名期刊Advanced Materials, Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials, Advanced Science, ACS Nano，Nano Energy, Energy Storage Materials等上发表多篇科技论文30多篇。以发明人身份授权国际发明专利3项，国家发明专利1项。

Ying Ian Chen， 澳大利亚迪肯大学Alfred Deakin终身讲席教授，前沿材料研究院纳米科技首席教授。澳大利亚新安全可靠的能源存储和转换技术研究中心主任 (Director, Australian Research Council’s Research Hub in New Safe and Reliable Energy Storage and Conversion Technologies)。 1986毕业于清华大学工程物理系﹐1992 年获得法国巴黎南大学化学博士。1993-2008 在澳大利亚国立大学 (ANU) 物理研究院从事纳米材料研究。 陈教授在国际一流刊物上发表期刊论文400余篇（其中200 篇发表在Nature子刊, Adv Mater., JACS, Nano Lett. 等 影响因子10 以上期刊)﹐获授权专利8项，出版科学专著10部。学术论文引3.6万次， H因子 (h-index) 93。连续三年入选科睿唯安”全球高被引科学家”. https://orcid.org/0000-0002-7322-2224.