电子科技大学陈俊松/吴睿团队磁场调控Ni催化剂磁畴增强电催化CO2还原性能

第一作者：朱昭昭

通讯作者：吴睿

通信单位：电子科技大学

将二氧化碳电化学还原为有价值的燃料和化学品是实现碳中和的一种理想方式，然而这一过程面临着重大挑战。在本研究中，我们开发了一种类海胆状的新型铁磁材料Ni@NC电催化剂。在H型电解池中，Ni@NC催化剂在140 mT的磁场作用下，电流密度是0 mT时的四倍；在流动电池中，该催化剂展示了最小的过电位，并在宽电位范围内实现了接近100%的CO法拉第效率。量子钻石原子力显微镜(QDAFM)直观显示了Ni@NC催化剂在外部磁场作用下磁矩从无序到有序的转变。进一步的理论计算发现，外加磁场促进了Ni-O-Ni结构的形成，并降低了COOH*中间体的能垒。

在过去十年中，外加磁场的应用已成为提高复杂电催化过程性能的有效工具。研究者们发现，通过外加磁场，能将COOH*从三重态转移到单重态，从而提升CO₂RR中甲酸(HCOOH)的选择性。此外，还有研究指出外部磁场通过磁流体动力学效应可以促进传质，进而降低CO₂RR的整体能耗。尽管如此，大多数研究依然集中在磁场对析氢(HER)、析氧(OER)和氧还原(ORR)性能的影响，而对CO₂RR的具体影响及其机制的研究仍较为模糊不清。最近的研究发现，外加磁场能够调控铁磁性催化剂的磁畴，使其从多畴状态转变为单畴状态，这一转变有助于提高电子的传输效率。这些发现为深入理解和利用磁场对电催化过程的调控提供了新的视角和可能性。

1. 创新点

2. 电化学测试结果表明，当Ni@NC催化剂在外加磁场的条件下工作时，不仅具有较低的过电位，而且在一个宽电压范围内实现了接近100%的CO法拉第效率。

3. 使用QDAFM直观观察到了在外加磁场作用下，Ni@NC催化剂的磁矩从无序到有序的明显转变，为理解磁场如何影响催化性能提供了直接证据。

4. 通过DFT计算，发现外加磁场主要通过促进中间体COOH*与2个Ni原子的结合来增强COOH*的吸附以及电子的相互转移，揭示了磁场对电催化反应的具体作用机制。

我们设计的Ni@NC催化剂具备独特类海胆状结构，包括铁磁性Ni纳米颗粒核与NC外壳。在H型电解池中，该催化剂在外加磁场的作用下，电流密度提升至四倍。在流动池中，它在宽电位范围内实现了近100%的CO法拉第效率，且展现出较低的过电位。通过QDAFM分析，我们发现磁矩的有序排列与畴壁结构的消失显著增强了CO₂RR中的电子转移，进而提高了催化活性。此外，DFT结果揭示，优异的电化学性能源自于在磁场作用下，COOH*中的氧原子与2个镍原子形成了稳定的化学键，这增强了关键的COOH*中间体的稳定性。这项研究不仅加深了我们对磁场对电催化影响的理解，而且通过精确调控反应中间体与催化剂的相互作用，为提高CO₂RR效率开辟了新的途径。

吴睿，电子科技大学材料与能源学院副研究员，长期从事能源电催化(燃料电池、二氧化碳还原)研究工作。截至目前，第一作者或通讯作者在Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., Appl. Catal. B: Environ.等学术期刊上发表论文20余篇；以第一发明人申请中国发明专利6项，授权4项。承担科技部重点研发计划子课题1项，主持国家自然科学基金项目2项；担任eScience、Journal of Energy Chemistry期刊青年编委。