氢气作为清洁能源在未来的能源版图中将发挥重要作用，电解水制氢具有成本较低、效率高、环境友好、安全性较好等优点，备受人们青睐。目前电催化析氢反应活性最好的固态催化剂是贵金属铂、钯、铱等，但贵金属储量稀少，价格昂贵，不适用于大规模生产。因此需开发廉价、高效的非贵金属析氢电催化剂。含有Fe、Co、Ni等磁性元素的催化剂表现出优异的催化活性、稳定性和价格优势，被认为是最有希望替代贵金属的催化剂之一。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所王军强团队，长期致力于新型磁性催化剂的开发及其性能优化。前期基于Fe、Co、Ni等磁性元素，发展了一种多组元磁性催化剂的快速制备和筛选方法[ACS Catal. 2022 (12) 3789]；并研发出多种具有高活性的磁性催化剂[J. Mater. Chem. A 2020 (8) 3246；J. Alloy Compd. 2021 (880) 160548]。
最近，该团队研究生蔡亮等人，在王军强研究员和霍军涛研究员的指导下，在磁场辅助增强电催化析氢性能方面取得了重要进展。该研究工作中，系统研究了外加交变磁场(AMF)对Fe-Co-Ni-P-B磁性催化剂析氢反应(HER)的影响规律及其微观机制。研究发现AMF可以显著提高磁性催化剂的HER催化效率，在20mT的外加磁场下，其电流密度增加了27%。研究结果表明，磁场增强HER催化性能主要归因于洛伦兹力提高了电荷转移效率，而磁热效应的贡献较小。另外，Fe-Co-Ni-P-B电极的高磁导率和电磁涡流的趋肤效应可以进一步放大洛伦兹效应。该工作阐明了AMF增强磁性催化剂HER活性的新机制，为进一步改善磁性催化材料的性能提供了新思路。该工作以“Key Role of Lorentz Excitation in the Electromagnetic-Enhanced Hydrogen Evolution Reaction”为题发表在国际知名期刊ACS Appl. Mater. Interfaces 2022 (14) 15243上。
图1 交变磁场对磁性催化剂电催化性能的影响规律
图2 交变磁场增强磁性催化剂电催化性能的微观机制示意图
以上工作成果得到国家重点研发计划（2018YFA0703604, 2018YFA0703602)，国家自然科学基金（51827801, 51922102, 52071327, 92163108），中科院青促会 (2019296), 浙江省自然科学基金 (LR22E010004, 2022C01023)等项目的资助。
(霍军涛 研究员)