磁场调控催化反应选择性研究取得进展

近期，中国科学院合肥物质科学研究院与中国科学技术大学等合作，借助稳态强磁场实验装置（SHMFF）的电子自旋共振谱仪（ESR）和磁性测量系统（MPMS），发现通过控制外部磁场能够实现催化反应产物选择性的可逆切换。

二氧化碳电化学还原（CO₂RR）在酸性电解液中进行CO₂RR时，由于H⁺浓度高，会发生析氢反应，导致转化效率低。以碳负载Ni单原子（Ni-N₅-C）为催化剂，在酸性电解液中进行CO₂RR时，产物CO的法拉第效率仅为18%，施加2T磁场时可抑制析氢反应，将CO法拉第效率提高到63.2%。多次磁场开关循环实验显示，催化剂在每次磁场施加后CO的法拉第效率均保持在61%以上，证明这种外磁场的引入，使得CO还原产物在非接触“磁开关”模式下连续切换。磁性测量、原位表征和理论计算表明，催化反应过程中，磁场作用增强了Ni-N₅-C的磁矩，促进了CO₂在Ni位点的吸附，抑制了析氢反应，从而提高了CO₂RR的活性和选择性。该研究为电化学CO₂RR开辟了“磁控催化”新范式，突破了酸性环境效率瓶颈，更展示了外场调控催化的潜力。相关成果作为封面论文，发表在《美国化学会志》（JACS）上。

研究将磁场调控手段进一步拓展至液态金属催化剂领域，设计和展示了铁嵌入液态金属催化剂Fe–LMS。Fe–LMS催化剂可响应外部磁场强度的变化，实现了铁原子在孤立单原子和聚集团簇之间的可逆快速重排。研究同时实现了CH₄氧化的主要液态产物CH₃OOH和CH₃COOH之间的可逆转化，在室温下获得了1679.6 mmol g_Fe^-1 h^-1和790.5 mmol g_Fe^-1 h^-1的高产率，以及99.9%和91.7%的高选择性。ESR和MPMS、原位同步辐射光谱和理论计算发现，磁场切换影响Fe–LMS的纳米结构、局部配位环境和电子自旋，使得决定C1或C2反应路径的中间物种产生。特别是，外磁场环境中铁原子聚集态和电子自旋态的改变打破了与反应分子的吸附能标度关系，并改变了反应选择性。相关成果发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。

研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。

论文链接：1、2

（a）强磁场环境中CO₂RR装置示意图；（b) 磁场增强 Ni−N₅−C催化剂上CO₂RR的过程示意图

磁场开关调控下铁基液态金属催化剂（Fe–LMS）的宏观（左）与微观结构（右）变化示意图