Katalysatoren met één atoom veranderen spin-toestand wanneer gestimuleerd door een magnetisch veld

De taak van een katalysator is om uiteindelijk reacties te versnellen, wat een proces van een uur in enkele minuten kan verminderen. Onlangs is aangetoond dat het gebruik van externe magnetische velden om spinstaten van katalysatoren met één atoom (SAC’s) te moduleren, zeer effectief is-het versterken van zuurstofevolutiereactie magnetocurrent door een verbluffende 2.880%.

Met dit in gedachten stelden onderzoekers van de Universiteit van Tohoku een volledig nieuwe strategie voor om een ​​extern magnetisch veld toe te passen om spinstaten te moduleren en daarmee de elektrokatalytische prestaties te verbeteren.

De studie, gepubliceerd in Nano lettersbiedt waardevolle inzichten met betrekking tot de ontwikkeling van efficiënte en duurzame elektrochemische technologieën voor de productie van ammoniak en afvalwaterbehandeling.

Op het gebied van elektrocatalyse richten traditionele methoden zich voornamelijk op het aanpassen van de chemische samenstelling en structuur van katalysatoren.

De introductie van door magnetische geïnduceerde spin-toestandsmodulatie biedt een nieuwe dimensie voor het ontwerp van katalysator en prestatieverbetering. Het omvat de regulatie van de elektronische spin -toestand van de katalysator door een extern magnetisch veld, dat de adsorptie- en desorptieprocessen van reactietussenproducten nauwkeurig kan regelen, waardoor de activeringsenergie van de reactie effectief wordt verminderd en het sneller kan doorgaan.

“Efficiëntere productieprocessen kunnen de kosten verlagen, wat zich kan vertalen in lagere prijzen voor producten zoals meststoffen en behandeld water op consumentenniveau”, legt Hao Li uit van het Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) van Tohoku.

De studie gebruikte geavanceerde karakteriseringstechnieken om te bewijzen dat het magnetische veld de overgang naar een hoge spin -toestand veroorzaakt, die de nitraatadsorptie verbetert.

De theoretische analyse toont ook de specifieke mechanica waarom de overgang van de spin toestand het elektrokatalytische vermogen verbetert. Bij blootstelling aan een extern magnetisch veld demonstreerde de RU-NC-elektrokatalysator een hoge NH₃ opbrengstsnelheid (~ 38 mg l^-1 H^-1) en een faradaische efficiëntie van ~ 95% gedurende meer dan 200 uur.

Dit betekent een significante verbetering in vergelijking met exact dezelfde katalysator, maar zonder een boost van een extern magnetisch veld.

Uiteindelijk verrijkt dit werk ons ​​theoretische begrip van elektrocatalyse door de relatie tussen magnetische velden, spinstaten en katalytische prestaties te onderzoeken.

Tegelijkertijd bieden de experimentele resultaten een referentie voor toekomstig onderzoek en de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren, waardoor een solide basis wordt gelegd voor de praktische toepassing van elektrochemische technologieën.

De belangrijkste bevindingen uit deze studie zijn beschikbaar op het platform voor digitale katalyse (Digcat), de grootste experimentele en computationele katalyse -database tot nu toe ontwikkeld door het Hao Li Lab.