少量的磁性纳米颗粒可以有效激活催化剂，提高过氧化氢生产的效率。
科学家们在提高一种负责生成过氧化氢的电化学反应效率方面取得了重大进展，过氧化氢是一种在消毒、漂白和污水管理等行业中广泛使用的重要化学品。这一反应被称为氧还原反应（ORR），通过引入一种新型的异质分子催化剂并利用结合的磁场实现了增强。
传统的过氧化氢（H2O2）生产方法面临严重挑战。这些方法需要大量的能量，浓缩产品往往难以安全运输。为了应对这些问题，研究团队转向了一种更高效和环保的电化学方法。
研究人员通过将钴酞菁（CoPc）分子附着在炭黑（CB）上，并与聚合物涂层的磁性（Mag）纳米颗粒结合，创造了一种创新的催化剂。这种独特的设置允许有效操控钴活性位点的自旋状态，从而显著提升催化性能。
结果显示，CoPc/CB-Mag催化剂实现了令人印象深刻的过氧化氢生产效率，达到90%，显著提高了反应有效性。重要的是，它只需要极少量的磁性材料——比以前的方法少了最多七个数量级——使其在大规模使用时更安全、更可行。
“我们将磁场集成的方式使钴中心从低自旋状态转变为高自旋状态，而不改变其原子结构，”来自先进材料研究所（WPI-AIMR）的Di Zhang说。“这种自旋变化显著增强了催化剂在氧还原和进化反应中的固有活性。”
为了理解使这一新催化剂有效的基本机制，研究团队采用了一种称为综合密度泛函理论（DFT）计算的方法。揭示其功能背后的原因对未来的研究至关重要。“我们发现高自旋Co位点对含氧中间体有更强的吸引力，这对于有效催化是必不可少的，”副教授李浩指出。“磁场引起的自旋极化也有助于在反应阶段的电子转移和自旋过渡，增强催化动力学。”
“通过结合实验结果和理论见解，我们对磁场如何提升催化性能有了全面的理解，”李浩补充道。“这一知识可以为未来新催化剂的设计提供指导。”
这项研究的结果可能为活性催化材料的智能设计铺平道路，旨在开发更高效和环保的过氧化氢及其他有价值化学品的生产方法。这一进展为全球可持续工业过程和实现碳中和能源技术的努力做出了贡献。
