近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場中心胡林研究員與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳宇恩教授團隊等合作，借助穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置（SHMFF）的電子自旋共振譜儀（ESR）和磁性測量系統(tǒng)(MPMS)，發(fā)現(xiàn)通過控制外部磁場能夠?qū)崿F(xiàn)催化反應(yīng)產(chǎn)物選擇性的可逆切換，相關(guān)研究成果分別以“Magnetically tunable selectivity in methane oxidation enabled by Fe-embedded liquid metal catalysts”和“Magnetic Field-Enhanced Acidic CO2 Electroreduction Reaction on Single Nickel-Site Catalysts”為題，在線發(fā)表于Nature Nanotechnology和Journal of the American Chemical Society上。
近年來，利用外加磁場調(diào)控催化體系中催化劑性能及化學(xué)反應(yīng)受到廣泛關(guān)注。磁場調(diào)控手段的應(yīng)用相比于傳統(tǒng)的側(cè)重于活性位點結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的催化劑改性策略而言，提供了一種靈活、可調(diào)、非接觸的方法，可以在不改變或更換催化劑本身的情況下實時調(diào)整催化劑的活性和選擇性，在精細(xì)化學(xué)品綠色合成與能源催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
二氧化碳電化學(xué)還原（CO2RR）是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵技術(shù)，但在酸性電解液中進行CO2RR時，由于H+濃度高，會發(fā)生嚴(yán)重的析氫反應(yīng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率低。以碳負(fù)載Ni單原子（Ni-N5-C）為催化劑，在酸性電解液(pH = 0.91)中進行CO2RR時，產(chǎn)物CO的法拉第效率僅為18%，施加2 T磁場時可顯著抑制析氫反應(yīng)，將CO法拉第效率提高到63.2%。此外，多次磁場開關(guān)循環(huán)實驗顯示催化劑在每次磁場施加后CO的法拉第效率均保持在61%以上，證明這種外磁場的引入使得CO還原產(chǎn)物在非接觸“磁開關(guān)”模式下連續(xù)切換。磁性測量、原位表征和理論計算表明，催化反應(yīng)過程中，磁場作用顯著增強了Ni-N5-C的磁矩，因而促進了CO2在Ni位點的吸附，抑制了析氫反應(yīng)，從而提高了CO2RR的活性和選擇性。本項研究為電化學(xué)CO2RR開辟了“磁控催化”新范式，突破酸性環(huán)境效率瓶頸的同時，更展示了外場調(diào)控催化的巨大潛力。該研究以封面論文的形式發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳宇恩教授、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場中心胡林研究員、電子科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳銅偉教授及溫州大學(xué)許杰教授為共同通訊作者。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c00858
圖1. (a) 強磁場環(huán)境中CO2RR裝置示意圖；(b) 磁場增強 Ni?N5?C 催化劑上CO2RR的過程示意圖（其中 Ni 為玫瑰紅、N 為藍(lán)色、C 為灰色、O為紅色、H 為黃色）
研究團隊將磁場調(diào)控手段進一步拓展至液態(tài)金屬催化劑領(lǐng)域。液態(tài)金屬作為新興材料，為開發(fā)甲烷氧化催化劑提供了一種新途徑。液態(tài)金屬具有低熔點、高熱導(dǎo)性和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等獨特的物理化學(xué)特性，使其成為理想的催化載體，能夠溶解特定金屬并在原子級別上實現(xiàn)穩(wěn)定分散。與固體催化劑不同，液態(tài)金屬在室溫下保持液態(tài)，其原子不受晶格限制，因而可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的動態(tài)可調(diào)。
在該工作中，研究團隊設(shè)計和展示了一種鐵嵌入液態(tài)金屬催化劑（Fe–LMS）。這種Fe–LMS催化劑可響應(yīng)外部磁場強度的變化，實現(xiàn)了鐵原子在孤立單原子（Fe?-LMS）和聚集團簇（Fe?-LMS）之間的可逆快速重排。因此，實現(xiàn)了CH?氧化的主要液態(tài)產(chǎn)物CH?OOH和CH?COOH之間的可逆轉(zhuǎn)化，并在室溫下獲得了1679.6 mmol gFe?1 h?1和790.5 mmol gFe?1 h?1的高產(chǎn)率，以及99.9%和91.7%的高選擇性。通過ESR和MPMS、原位同步輻射光譜和理論計算，研究團隊發(fā)現(xiàn)磁場切換影響了Fe–LMS的納米結(jié)構(gòu)、局部配位環(huán)境和電子自旋，導(dǎo)致決定C1或C2反應(yīng)路徑的中間物種的產(chǎn)生。特別是，外磁場環(huán)境中鐵原子聚集態(tài)和電子自旋態(tài)的改變打破了與反應(yīng)分子的吸附能標(biāo)度關(guān)系，從而改變了反應(yīng)選擇性。該研究發(fā)表在Nature Nanotechnology上。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳宇恩教授、合肥工業(yè)大學(xué)鄭磊教授、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場中心胡林研究員及河南省科學(xué)院鐘文輝研究員為論文共同通訊作者。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-02029-5
上述研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃、合肥大科學(xué)中心協(xié)同創(chuàng)新培育項目、國家自然科學(xué)基金等的支持。
圖2. 磁場開關(guān)調(diào)控下鐵基液態(tài)金屬催化劑（Fe–LMS）的宏觀（左）與微觀結(jié)構(gòu)（右）變化示意圖
