江西師范大學袁彩雷團隊Small（封面論文）:利用自旋相關的磁加熱效應提升釓單原子催化劑的析氫活性

?單原子催化劑，因其超高的原子利用率，且對大部分電催化反應都具有超高的催化活性，已經成為了異質催化中一個全新的前沿領域。近年來，為了進一步加快單原子催化劑的催化反應，很多的研究工作主要集中在提高活性單原子密度。但是，隨著活性單原子負載量的增加，單原子因其較高的表面自由能不可避免地會發生團聚現象，導致其催化能力下降。不同于以往這些在單原子催化劑設計與制備層面的提升策略，外場調制策略對于進一步提升單原子催化劑的催化活性將會是一個極具前景的方式。眾所周知，在高頻交變磁場下，磁性單疇納米顆粒相對于晶格的自旋翻轉可以產生與Néel弛豫相關的磁加熱效應。如果高頻交變磁場能夠激發單原子催化劑自旋相關的磁加熱效應，加熱活性單原子從而最大限度地提升單原子的利用效率，將會是進一步促進單原子催化劑活性的一種可行而有效的技術。

近期，江西師范大學袁彩雷教授團隊在合成大面積空氣穩定的單分子層二硫化鉬的基礎上，通過激光分子束外延技術將Gd單原子錨定在單層二硫化鉬中，成功制備了Gd@MoS₂單原子催化劑。由于Gd(4f)、Mo(4d)、S(3p)之間的強雜化作用，Gd單原子催化劑表現出面內室溫鐵磁性，同時自旋密度主要集中在錨定的Gd單原子上。自旋相關的電化學實驗表明，Gd 單原子催化劑的自旋極化方向會隨著磁場方向的變化而變化。因此，當施加高頻交變磁場時，Gd單原子催化劑會隨著交變磁場變化而發生自旋翻轉（或傾斜），從而產生與Néel弛豫相關的磁加熱效應，這種局域在活性位點（Gd）附近的磁加熱效應大幅提高了該單原子催化劑的析氫反應活性。該工作利用高頻交變磁場能夠對Gd單原子的自旋極化方向產生影響從而觸發局部磁加熱的特性，在不需要提升負載量的情況下加熱活性單原子，進一步提升了單原子催化劑的析氫活性，為最大限度地發揮單原子的催化潛力提供了新的途徑，同時也為單原子催化劑的未來發展提供了一個新的研究方向。

圖1. Gd@MoS₂單原子催化劑的晶體結構與成分表征

圖2. Sv@MoS₂和Gd@MoS₂的吉布斯自由能對比及其析氫測試

圖3. Sv@MoS₂和Gd@MoS₂的磁學性質測試，態密度計算以及兩者的自旋分布圖

圖4. Sv@MoS₂和Gd@MoS₂在不同靜磁場方向下析氧性能的測試，靜磁場下Gd@MoS₂自旋翻轉示意圖，Sv@MoS₂和Gd@MoS₂在交變磁場下的析氫反應示意圖。

圖5. Gd@MoS₂單原子催化劑在高頻交變磁場下的析氫性能測試

圖6. Gd@MoS₂單原子催化劑的穩定性測試

研究成果近期以“Atomic magnetic heating effect enhanced hydrogen evolution reaction of Gd@MoS₂ single-atom catalysts”為題發表在Small上，并被評選為期刊封面（Inside Front Cover）。袁彩雷教授課題組碩士研究生曾巍和博士研究生江珍真為論文的共同第一作者，通訊作者為袁彩雷教授，江西師范大學為論文第一完成單位。該項工作得到了國家自然科學基金委以及江西省主要學科學術和技術帶頭人培養計劃-領軍人才項目的支持。

文章鏈接如下：https://doi.org/10.1002/smll.202206155

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