新加坡南洋理工大學Nat.Commun:磁化增強析氧的真正原因

一、【導讀】

? ?為了實現零碳能源基礎設施，將可持續能源作為動力的水電解是實現綠色制氫至關重要的能源轉型技術。然而，電解效率在很大程度上受到水電解槽中緩慢的陽極反應動力學的限制，即析氧反應（OER）。最近，有報道稱可以通過施加外部磁場來促進某些磁性催化劑的OER性能。這種現象引起了跨能源、材料、化學、物理等領域的極大興趣，也引起了很大的爭論。研究學者們證實并排除其他可能的促成因素，如洛倫茲力促進的質量傳輸、磁化降低了阻力和磁通量引起的偏置等。然而，有研究發現催化劑的磁化對鐵磁材料（包括金屬活性位點）原子中未成對電子的自旋排序沒有影響。磁化只會導致鐵磁材料的磁結構從多疇結構向單疇結構演變。每個磁疇都是一個小磁鐵，理論上自旋極化促進的OER已經發生在這些磁疇上。因此，在已經實現了增強的原則上應該不需要在外部磁場下磁化。為此產生了一個新的難題，即為什么在外部磁場下的磁化可以促進OER，以及觀察到的增量的來源是什么？ ??

二、【成果掠影】

? ?近日，新加坡南洋理工大學徐梽川教授團隊證明了磁場（磁化）下OER增強的起源來自消失的磁疇壁。薄膜上占據的疇壁面積與其在磁化下的OER增量之間存在很強的相關性。相關的研究成果以“The origin of magnetization-caused increment in water oxidation”為題發表在Nature Communications上。

三、【核心創新點】

? ?1、作者通過磁控濺射法制備NiFe薄膜成功地證實磁化下OER增強的起源是來自消失的磁疇壁。磁化導致磁疇結構從多疇結構演變為單疇結構，其中疇壁消失。疇壁占據的表面被單個疇重新格式化為一個，OER在該表面上遵循自旋促進路徑，因此電極上發生整體增量。

? ?2、這項研究填補了理解自旋極化OER的空白，并進一步解釋了可以通過磁化獲得增量的鐵磁性催化劑的類型。

四、【數據概覽】

圖1 NiFe 薄膜的特性。?2023 The Author(s)

圖2 NiFe 薄膜的磁性能表征。?2023 The Author(s)

圖3 磁化增強 OER。?2023 The Author(s)

圖4 磁化引起 OER 增量的來源。?2023 The Author(s)

五、【成果啟示】

? ?綜上所述，作者通過制備了不同厚度NiFe薄膜，并控制了疇尺寸和疇壁占比。從而解決了鐵磁催化劑上OER增量的起源問題。作者強調說明磁增強源于磁化引起的疇壁動力學。為此，作者提出后續工作。為了進一步了解疇壁上的OER，需要新的計算方法來建立考慮原子尺度域間相互作用的疇壁結構模型。因此，這項研究將有望解釋其他能源催化領域中因磁化引起的性能增強的原因，并進一步提高催化性能和改善工業化經濟發展。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41467-023-38212-2

本文由K . L撰稿。