氫氣是一種十分清潔的能源，燃燒後隻產(chan) 生水，沒有汙染。考慮到地球上豐(feng) 富的海水資源，如果可以通過可再生能源（比如太陽能、風能等）產(chan) 生的電能來電解水得到氫，那將顛覆目前化石燃料占主流的能源格局，幫助人類解決(jue) 能源危機和環境問題。然而，目前全世界隻有4%的氫是通過電解水產(chan) 生的，這主要是因為(wei) 當前技術條件下整個(ge) 過程成本很高，難以推廣。

　　目前，市場上主要有兩(liang) 種電解水技術，一種基於(yu) 堿性液體(ti) 電解質，另一種是聚合物電解質膜。前者是一種比較成熟的技術，已經出現多年，使用地球含量豐(feng) 富的金屬為(wei) 催化劑，更為(wei) 經濟，但效率較低。而後者電解效率高，有文獻報道，通過將光伏電池與(yu) 兩(liang) 個(ge) 串聯的電解槽相結合，可以實現30%的太陽能氫轉換效率。然而，這個(ge) 過程需要使用的貴金屬催化劑價(jia) 格昂貴且極為(wei) 稀缺，前景並不明朗。

　　近日，西班牙加泰羅尼亞(ya) 化學研究所（ICIQ）的課題組研究發現，堿性水電解過程中利用強磁性的混合氧化物如NiZnFe4Ox做電催化劑，當向陽極上施加中等強度的磁場（≤450 mT）時，電流密度的增量能夠超過一倍。他們(men) 還發現磁場的這種“加持”效果在修飾後的泡沫Ni電極上同樣適用，磁場下其催化活性提高了約40%，可在低電位下達到很高的電流密度。相關(guan) 論文發表於(yu) Nature Energy。

　　OER反應機理（圖片來源：Nat. Energy）

　　之前已經有相關(guan) 研究證實，自旋極化在析氧反應（OER）反應中起到的積極作用。而OER反應，一向被認為(wei) 是水分解的瓶頸。理論上，磁性電極也可能帶來類似的積極效果。此外還有研究發現，在磁場的作用下，由洛倫(lun) 茲(zi) 力引起的磁流體(ti) 動力對流可以推動電解液的循環，加速氣泡和電極分離。而且，利用磁性納米粒子修飾的電極，施加高頻交變磁場，可以使電極表麵產(chan) 生類似高溫的狀態，提升電解效率。不過，上麵兩(liang) 個(ge) 工作中磁場的這些效果都是以間接的方式起作用的，而且還需要特殊設計的電解器。

　　實驗裝置圖（圖片來源：Nat. Energy）

　　研究人員測試了多種OER催化劑（a, IrO2; b, NiO; c, Raney Ni; d, Ni2Cr2FeOx; e, NiFe2Ox; f, FeNi4Ox; g, ZnFe2Ox; h, NiZnFe4Ox; i, NiZnFeOx）在有無磁場條件下的極化曲線，希望確定磁場能否直接影響水電解產(chan) 氫的性能。除了非磁性催化劑IrO2的改變可以忽略不計以外，其他磁性催化劑的電流密度都有明顯增強，研究者稱之為(wei) 磁電流。

　　既然該現象與(yu) 電極的磁性有關(guan) ，於(yu) 是研究者探討了磁電流增量與(yu) 電極的磁化強度之間的聯係，發現二者呈線性關(guan) 係。作為(wei) 實驗中磁化強度最大的NiZnFe4Ox電極，在1.65 V電壓下，電流密度增加了近一倍。

　　問題來了。如果根據之前的解釋，磁場主要是促進電解液的循環，那麽(me) 為(wei) 何電流密度會(hui) 與(yu) 電極的磁化強度有如此密切的關(guan) 係呢？這表明這種效應與(yu) 催化劑結合的氧中間體(ti) 的電子自旋狀態有關(guan) 。

　　OER反應是電解水中的限速步驟，是一個(ge) 緩慢且需要能量的四電子過程，O-O鍵的形成必須通過自旋守恒，來以此產(chan) 生基態氧分子。研究者通過計算認為(wei) ，磁場具有限製自旋的作用，有利於(yu) 氧自由基在形成O-O鍵的過程中在磁性電極表麵平行排列，因此對高磁性催化劑的影響最大。

　　有科學家評論到，這是一項非常漂亮的工作，但是，自旋對催化劑表麵反應的影響是非常複雜的，具體(ti) 機機理還未被完全解釋。不過，該研究為(wei) 堿性電解槽技術的技術改進開拓了道路，如果這種方法可以規模化應用，很可能降低電解水產(chan) 氫的成本，讓我們(men) 距離這種清潔燃料更近一步。



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