单原子催化剂在磁场作用下改变自旋态

基于这一思路，日本东北大学的研究人员提出了一种全新策略：施加外部磁场来调制自旋态，从而提升电催化性能。这项研究为开发高效、可持续的氨生产和废水处理电化学技术提供了宝贵见解。

在电催化领域，传统方法主要侧重于调整催化剂的化学组成和结构。磁性诱导自旋态调控的引入为催化剂设计和性能提升提供了新维度。该方法通过外部磁场调控催化剂的电子自旋态，能够精确控制反应中间体的吸附与脱附过程，从而有效降低反应活化能，使反应得以更快进行。

日本东北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）的李浩解释道：“更高效的生产工艺可以降低成本，这可能会使肥料和净化水等产品在消费者层面的价格降低。”

该研究采用先进的表征技术证实，磁场会促使催化剂向高自旋态转变，从而改善硝酸盐吸附。理论分析也阐明了自旋态转变提升电催化能力的具体机制。在外部磁场作用下，Ru-N-C电催化剂展现出高氨产率（约38 mg L^-1 h^-1）和约95%的法拉第效率，且稳定运行超过200小时。与完全相同的催化剂但在无外加磁场增强的情况相比，性能有显著提升。

最终，这项工作通过探索磁场、自旋态与催化性能之间的关系，丰富了我们对电催化机制的理论认识。同时，实验结果也为未来新型催化剂的研究与开发提供了参考，为电化学技术的实际应用奠定了坚实基础。

该研究成果于2025年5月13日发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。

文章处理费（APC）由日本东北大学资助计划支持。本研究的关键发现可在数字催化平台（DigCat）获取，该平台是由李浩实验室开发迄今最大的实验与计算催化数据库。