江西师范大学袁彩雷教授团队Advanced Functional Materials：一种通用型C/Fe3O4/C磁加热电极助力非磁性催化剂高效产氢

一、【导读】

高频交变磁场产生的磁热效应，由于其在控制参数（即大小和频率）上的灵活性、低损伤、低噪声以及高穿透深度等方面的优势，已广泛应用于磁热疗、催化、有机合成等领域。在催化领域中，纳米颗粒在高频交变磁场下的磁化方向随外场变化，其内部产生的功将转化为热量，最终引发磁热效应，促进催化反应动力学。先前的研究指出，产生的磁热效应是局部的，热量局域在受激颗粒周围，温度可达到数百度，显示出增强催化过程的巨大潜力。与传统的直接加热反应器提升催化性能处理不同，这种非直接接触加热技术可以加快传质，从而提高电催化剂的效率，同时不会影响反应器的寿命和能量损耗。然而，交变磁场在电化学领域中的实际应用主要集中在磁性热感应介质上。众所周知，对于纳米尺度或更小的颗粒，磁场加热机制主要包括涉及磁偶极子弛豫损失的Néel弛豫，以及与粒子对外部交变磁场响应的运动耗散相关的布朗弛豫，这两者都与材料的磁性性质或响应有关。因此，非磁性催化材料应用于与交变磁场相关的能量转换领域是非常困难的。而通过掺杂、应变调制和缺陷工程等方式诱导磁性会使整个过程更加复杂。鉴于此，亟需开发一种策略，使交变磁场下的磁热效应能够广泛应用于各种催化剂上，即使是非磁性催化剂。

二、【成果掠影】

近期，江西师范大学袁彩雷教授团队提出利用磁性的Fe₃O₄纳米颗粒修饰电极制备了一种通用型C/Fe₃O₄/C磁加热电极。这种磁加热电极既可以作为衬底负载非磁性催化剂，又可以作为自热层加热上部的非磁性催化剂促进其电化学性能，成功将交变磁场在电催化的应用拓广了非磁性电催化剂。相关的研究成果近期以《A Versatile C/Fe₃O₄/C Self-Heating Electrode for Universal Application of Alternating Magnetic Fields in Electrocatalytic Hydrogen Production》为题在线发表在《Advanced Functional Materials》。江西师范大学的袁彩雷教授为本文通讯作者，硕士研究生占贺龙为本文第一作者，江珍真博士为本文共同第一作者。

三、【核心创新点】

1、该工作创新性地提出将磁性Fe₃O₄纳米颗粒修饰常规的工作电极，实现在非磁性纳米颗粒催化剂上利用高频交变磁场进行加热，从而显著提升催化效率。这一策略不仅解决了交变磁场在非磁性催化剂应用上的局限性，还为进一步提升非磁性材料催化性能提供了新的思路。

2、实验结果显示，当高频交变磁场应用于负载在C/Fe₃O₄/C电极上的Pt纳米颗粒和Pt单原子时，析氢反应的磁电流密度分别提高了约146%和185%。这表明，通过C/Fe₃O₄/C电极中Fe₃O₄纳米颗粒的磁热效应，非磁性催化剂的催化性能得到显著增强。

3、在交变磁场下，C/Fe₃O₄/C电极产生的磁加热效应在促进非磁性电催化剂中具有普适性。

四、【数据概览】

图1.（a）交变磁场作用下C/Fe₃O₄/C电极的磁热效应示意图；负载在C/Fe₃O₄/C电极上的（b）Pt纳米颗粒和（c）Pt单原子的催化性能示意图。

图2.（a）C/Fe₃O₄/C的低分辨TEM图；（b）C/Fe₃O₄/C的粒径分布;（c）C/Fe₃O₄/C的HRTEM图;（d）C/Fe₃O₄/C的选区电子衍射图;（e）300 K时Fe₃O₄纳米颗粒的磁化强度随磁场变化的关系图，插图为局部放大图;（f）C/Fe₃O₄/C电极在有无交变磁场时的析氢反应极化曲线;暴露于空气中的C/Fe₃O₄/C电极的红外热成像图：（g）无交变磁场，（h）有交变磁场。

图3.（a）Pt NPs@C/Fe₃O₄/C的低分辨TEM图；（b）从（a）中蓝色矩形标记区域提取的Pt NPs的HRTEM图；（c）Pt NPs的粒径分布；（d）Pt NPs@C/Fe₃O₄/C的选区电子衍射图；Pt NPs@C/Fe₃O₄/C在有无交变磁场时的（e）析氢反应极化曲线和（f）对应的Tafel图；（g）Pt NPs@C/Fe₃O₄/C的磁热开关行为；（h）Pt NPs@C/Fe₃O₄/C的60小时交变磁场辅助j−t测试；（i）Pt NPs@C/Fe₃O₄/C在60小时交变磁场辅助j−t测试后的TEM图；从（i）区域提取的（j）Fe₃O₄NPs（红色矩形标记）和（k）Pt NPs（蓝色矩形标记）的HRTEM图。

图4.（a）Pt SAs@C/Fe₃O₄/C的低分辨TEM图；（b）从（a）中蓝色矩形标记区域提取的Pt SAs@C/Fe₃O₄/C的HRTEM图，主要聚焦于碳基体中的Pt SAs；（c）从（b）中绿色矩形标记区域提取的Pt SAs@C/Fe₃O₄/C的放大HAADF-STEM图，主要聚焦于碳基体中的Fe₃O₄NPs，局部放大图表明Fe₃O₄NPs上存在Pt SAs；Pt SAs@C/Fe₃O₄/C在有无交变磁场时的（d）析氢反应极化曲线和（e）对应的Tafel图；（f）Pt SAs@C/Fe₃O₄/C的磁热开关行为；（g）Pt SAs@C/Fe₃O₄/C的60小时交变磁场辅助j−t测试；（h）Pt NPs@C/Fe₃O₄/C在60小时交变磁场辅助j−t测试后的低分辨TEM图（插图）和HAADF-STEM图（主要聚焦于碳基体中的Pt SAs）；从（h）绿色矩形区域提取的（i）Pt SAs@C/Fe₃O₄/C的放大HAADF-STEM图，主要聚焦于碳基体中的Fe₃O₄NPs，局部放大图表明Fe₃O₄NPs上存在Pt SAs。

五、【成果启示】

在该工作中，作者提出制备了一种通用型磁加热电极，通过在工作电极（玻碳电极）上修饰磁性的Fe₃O₄纳米颗粒，利用磁性Fe₃O₄纳米颗粒在外部高频交变磁场的触发下快速有效产生与Néel弛豫相关的磁热效应加热上层负载的非磁性催化剂，从而大幅提升非磁性催化材料的电化学性能。为了验证该C/Fe₃O₄/C磁加热电极的通用性，作者选择Pt 纳米颗粒和Pt 单原子作为两种具有代表性的非磁性析氢反应电催化剂进行试验。结果表明，在高频交变磁场的作用下，负载在磁加热电极上的Pt纳米颗粒和Pt单原子析氢反应电流密度分别提高了~146%和~185%，磁加热电极能够提升非磁性电催化剂析氢反应性能，而负载在未经磁性Fe₃O₄纳米颗粒修饰的裸玻碳上，两者的催化性能都没有明显的变化。该工作设计的通用型C/Fe₃O₄/C磁加热电极既可以作为衬底负载非磁性催化剂，又可以作为磁加热层加热上部催化反应，成功地将交变磁场的应用扩展到非磁性电催化剂领域，为在更广泛的能源应用中拓展磁热增强效应提供了新的途径。

原文详情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202407600