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江西师范大学袁彩雷团队Small（封面论文）:利用自旋相关的磁加热效应提升钆单原子催化剂的析氢活性

时间：2023-02-01 来源：浏览：

江西师范大学袁彩雷团队Small（封面论文）:利用自旋相关的磁加热效应提升钆单原子催化剂的析氢活性

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单原子催化剂，因其超高的原子利用率，且对大部分电催化反应都具有超高的催化活性，已经成为了异质催化中一个全新的前沿领域。近年来，为了进一步加快单原子催化剂的催化反应，很多的研究工作主要集中在提高活性单原子密度。但是，随着活性单原子负载量的增加，单原子因其较高的表面自由能不可避免地会发生团聚现象，导致其催化能力下降。不同于以往这些在单原子催化剂设计与制备层面的提升策略，外场调制策略对于进一步提升单原子催化剂的催化活性将会是一个极具前景的方式。众所周知，在高频交变磁场下，磁性单畴纳米颗粒相对于晶格的自旋翻转可以产生与Néel弛豫相关的磁加热效应。如果高频交变磁场能够激发单原子催化剂自旋相关的磁加热效应，加热活性单原子从而最大限度地提升单原子的利用效率，将会是进一步促进单原子催化剂活性的一种可行而有效的技术。

近期，江西师范大学袁彩雷教授团队在合成大面积空气稳定的单分子层二硫化钼的基础上，通过激光分子束外延技术将Gd单原子锚定在单层二硫化钼中，成功制备了 Gd@MoS ₂ 单原子催化剂。由于Gd(4f)、Mo(4d)、S(3p)之间的强杂化作用，Gd单原子催化剂表现出面内室温铁磁性，同时自旋密度主要集中在锚定的Gd单原子上。自旋相关的电化学实验表明，Gd 单原子催化剂的自旋极化方向会随着磁场方向的变化而变化。因此，当施加高频交变磁场时，Gd单原子催化剂会随着交变磁场变化而发生自旋翻转（或倾斜），从而产生与Néel弛豫相关的磁加热效应，这种局域在活性位点（Gd）附近的磁加热效应大幅提高了该单原子催化剂的析氢反应活性。该工作利用高频交变磁场能够对Gd单原子的自旋极化方向产生影响从而触发局部磁加热的特性，在不需要提升负载量的情况下加热活性单原子，进一步提升了单原子催化剂的析氢活性，为最大限度地发挥单原子的催化潜力提供了新的途径，同时也为单原子催化剂的未来发展提供了一个新的研究方向。

图1 . Gd@MoS ₂ 单原子催化剂的晶体结构与成分表征

图2 . Sv@MoS ₂ 和Gd@MoS ₂ 的吉布斯自由能对比及其析氢测试

图3 . Sv@ MoS ₂ 和Gd@MoS ₂ 的磁学性质测试，态密度计算以及两者的自旋分布图

图4 . Sv@ MoS ₂ 和Gd@MoS ₂ 在不同静磁场方向下析氧性能的测试，静磁场下Gd@MoS ₂ 自旋翻转示意图，Sv@ MoS ₂ 和Gd@MoS ₂ 在交变磁场下的析氢反应示意图。

图5 . Gd@MoS ₂ 单原子催化剂在高频交变磁场下的析氢性能测试

图6 . Gd@MoS ₂ 单原子催化剂的稳定性测试

研究成果近期以“Atomic magnetic heating effect enhanced hydrogen evolution reaction of Gd@MoS ₂ single-atom catalysts”为题发表在 Small 上，并被评选为期刊封面（Inside Front Cover）。袁彩雷教授课题组硕士研究生曾巍和博士研究生江珍真为论文的共同第一作者，通讯作者为袁彩雷教授，江西师范大学为论文第一完成单位。该项工作得到了国家自然科学基金委以及江西省主要学科学术和技术带头人培养计划-领军人才项目的支持。

Wei Zeng, Zhenzhen Jiang, Xunguo Gong, Ce Hu, Xingfang Luo, Wen Lei, Cailei Yuan, Atomic Magnetic Heating Effect Enhanced Hydrogen Evolution Reaction of Gd@MoS ₂ Single-Atom Catalysts, Small.

https://doi.org/10.1002/smll.202206155

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