江西師范大學袁彩雷教授團隊Advanced Functional Materials：一種通用型C/Fe3O4/C磁加熱電極助力非磁性催化劑高效產氫

一、?【導讀】 ?

高頻交變磁場產生的磁熱效應，由于其在控制參數（即大小和頻率）上的靈活性、低損傷、低噪聲以及高穿透深度等方面的優勢，已廣泛應用于磁熱療、催化、有機合成等領域。在催化領域中，納米顆粒在高頻交變磁場下的磁化方向隨外場變化，其內部產生的功將轉化為熱量，最終引發磁熱效應，促進催化反應動力學。先前的研究指出，產生的磁熱效應是局部的，熱量局域在受激顆粒周圍，溫度可達到數百度，顯示出增強催化過程的巨大潛力。與傳統的直接加熱反應器提升催化性能處理不同，這種非直接接觸加熱技術可以加快傳質，從而提高電催化劑的效率，同時不會影響反應器的壽命和能量損耗。然而，交變磁場在電化學領域中的實際應用主要集中在磁性熱感應介質上。眾所周知，對于納米尺度或更小的顆粒，磁場加熱機制主要包括涉及磁偶極子弛豫損失的Néel弛豫，以及與粒子對外部交變磁場響應的運動耗散相關的布朗弛豫，這兩者都與材料的磁性性質或響應有關。因此，非磁性催化材料應用于與交變磁場相關的能量轉換領域是非常困難的。而通過摻雜、應變調制和缺陷工程等方式誘導磁性會使整個過程更加復雜。鑒于此，亟需開發一種策略，使交變磁場下的磁熱效應能夠廣泛應用于各種催化劑上，即使是非磁性催化劑。

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二、【成果掠影】

近期，江西師范大學袁彩雷教授團隊提出利用磁性的Fe₃O₄納米顆粒修飾電極制備了一種通用型C/Fe₃O₄/C磁加熱電極。這種磁加熱電極既可以作為襯底負載非磁性催化劑，又可以作為自熱層加熱上部的非磁性催化劑促進其電化學性能，成功將交變磁場在電催化的應用拓廣了非磁性電催化劑。相關的研究成果近期以《A Versatile C/Fe₃O₄/C?Self-Heating Electrode for Universal Application of Alternating Magnetic Fields in Electrocatalytic Hydrogen Production》為題在線發表在《Advanced Functional?Materials》。江西師范大學的袁彩雷教授為本文通訊作者，碩士研究生占賀龍為本文第一作者，江珍真博士為本文共同第一作者。

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?三、【核心創新點】

?1、該工作創新性地提出將磁性Fe₃O₄納米顆粒修飾常規的工作電極，實現在非磁性納米顆粒催化劑上利用高頻交變磁場進行加熱，從而顯著提升催化效率。這一策略不僅解決了交變磁場在非磁性催化劑應用上的局限性，還為進一步提升非磁性材料催化性能提供了新的思路。

2、實驗結果顯示，當高頻交變磁場應用于負載在C/Fe₃O₄/C電極上的Pt納米顆粒和Pt單原子時，析氫反應的磁電流密度分別提高了約146%和185%。這表明，通過C/Fe₃O₄/C電極中Fe₃O₄納米顆粒的磁熱效應，非磁性催化劑的催化性能得到顯著增強。

3、在交變磁場下，C/Fe₃O₄/C電極產生的磁加熱效應在促進非磁性電催化劑中具有普適性。

?四、【數據概覽】

圖1.（a）交變磁場作用下C/Fe₃O₄/C電極的磁熱效應示意圖；負載在C/Fe₃O₄/C電極上的（b）Pt納米顆粒和（c）Pt單原子的催化性能示意圖。

圖2.（a）C/Fe₃O₄/C的低分辨TEM圖；（b）C/Fe₃O₄/C的粒徑分布;（c）C/Fe₃O₄/C的HRTEM圖;（d）C/Fe₃O₄/C的選區電子衍射圖;（e）300 K時Fe₃O₄納米顆粒的磁化強度隨磁場變化的關系圖，插圖為局部放大圖;（f）C/Fe₃O₄/C電極在有無交變磁場時的析氫反應極化曲線;暴露于空氣中的C/Fe₃O₄/C電極的紅外熱成像圖：（g）無交變磁場，（h）有交變磁場。

圖3.（a）Pt NPs@C/Fe₃O₄/C的低分辨TEM圖；（b）從（a）中藍色矩形標記區域提取的Pt NPs的HRTEM圖；（c）Pt NPs的粒徑分布；（d）Pt NPs@C/Fe₃O₄/C的選區電子衍射圖；Pt NPs@C/Fe₃O₄/C在有無交變磁場時的（e）析氫反應極化曲線和（f）對應的Tafel圖；（g）Pt NPs@C/Fe₃O₄/C的磁熱開關行為；（h）Pt NPs@C/Fe₃O₄/C的60小時交變磁場輔助j?t測試；（i）Pt NPs@C/Fe₃O₄/C在60小時交變磁場輔助j?t測試后的TEM圖；從（i）區域提取的（j）Fe₃O₄?NPs（紅色矩形標記）和（k）Pt NPs（藍色矩形標記）的HRTEM圖。

圖4.（a）Pt SAs@C/Fe₃O₄/C的低分辨TEM圖；（b）從（a）中藍色矩形標記區域提取的Pt SAs@C/Fe₃O₄/C的HRTEM圖，主要聚焦于碳基體中的Pt SAs；（c）從（b）中綠色矩形標記區域提取的Pt SAs@C/Fe₃O₄/C的放大HAADF-STEM圖，主要聚焦于碳基體中的Fe₃O₄?NPs，局部放大圖表明Fe₃O₄?NPs上存在Pt SAs；Pt SAs@C/Fe₃O₄/C在有無交變磁場時的（d）析氫反應極化曲線和（e）對應的Tafel圖；（f）Pt SAs@C/Fe₃O₄/C的磁熱開關行為；（g）Pt SAs@C/Fe₃O₄/C的60小時交變磁場輔助j?t測試；（h）Pt NPs@C/Fe₃O₄/C在60小時交變磁場輔助j?t測試后的低分辨TEM圖（插圖）和HAADF-STEM圖（主要聚焦于碳基體中的Pt SAs）；從（h）綠色矩形區域提取的（i）Pt SAs@C/Fe₃O₄/C的放大HAADF-STEM圖，主要聚焦于碳基體中的Fe₃O₄?NPs，局部放大圖表明Fe₃O₄?NPs上存在Pt SAs。

五、【成果啟示】

在該工作中，作者提出制備了一種通用型磁加熱電極，通過在工作電極（玻碳電極）上修飾磁性的Fe₃O₄納米顆粒，利用磁性Fe₃O₄納米顆粒在外部高頻交變磁場的觸發下快速有效產生與Néel弛豫相關的磁熱效應加熱上層負載的非磁性催化劑，從而大幅提升非磁性催化材料的電化學性能。為了驗證該C/Fe₃O₄/C磁加熱電極的通用性，作者選擇Pt 納米顆粒和Pt 單原子作為兩種具有代表性的非磁性析氫反應電催化劑進行試驗。結果表明，在高頻交變磁場的作用下，負載在磁加熱電極上的Pt納米顆粒和Pt單原子析氫反應電流密度分別提高了~146%和~185%，磁加熱電極能夠提升非磁性電催化劑析氫反應性能，而負載在未經磁性Fe₃O₄納米顆粒修飾的裸玻碳上，兩者的催化性能都沒有明顯的變化。該工作設計的通用型C/Fe₃O₄/C磁加熱電極既可以作為襯底負載非磁性催化劑，又可以作為磁加熱層加熱上部催化反應，成功地將交變磁場的應用擴展到非磁性電催化劑領域，為在更廣泛的能源應用中拓展磁熱增強效應提供了新的途徑。

原文詳情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202407600