磁铁有助于提高水电解氢性能
氢气是一种十分清洁的能源，燃烧后只产生水，没有污染。考虑到地球上丰富的海水资源，如果可以通过可再生能源（比如太阳能、风能等）产生的电能来电解水得到氢，那将颠覆目前化石燃料占主流的能源格局，帮助人类解决能源危机和环境问题。然而，目前全世界只有4%的氢是通过电解水产生的，这主要是因为当前技术条件下整个过程成本很高，难以推广。
目前，市场上主要有两种电解水技术，一种基于碱性液体电解质，另一种是聚合物电解质膜。前者是一种比较成熟的技术，已经出现多年，使用地球含量丰富的金属为催化剂，更为经济，但效率较低。而后者电解效率高，有文献报道，通过将光伏电池与两个串联的电解槽相结合，可以实现30%的太阳能氢转换效率。然而，这个过程需要使用的贵金属催化剂价格昂贵且极为稀缺，前景并不明朗。
近日，西班牙加泰罗尼亚化学研究所（ICIQ）的课题组研究发现，碱性水电解过程中利用强磁性的混合氧化物如NiZnFe4Ox做电催化剂，当向阳极上施加中等强度的磁场（≤450 mT）时，电流密度的增量能够超过一倍。他们还发现磁场的这种“加持”效果在修饰后的泡沫Ni电极上同样适用，磁场下其催化活性提高了约40%，可在低电位下达到很高的电流密度。相关论文发表于Nature Energy。
OER反应机理（图片来源：Nat. Energy）
之前已经有相关研究证实，自旋极化在析氧反应（OER）反应中起到的积极作用。而OER反应，一向被认为是水分解的瓶颈。理论上，磁性电极也可能带来类似的积极效果。此外还有研究发现，在磁场的作用下，由洛伦兹力引起的磁流体动力对流可以推动电解液的循环，加速气泡和电极分离。而且，利用磁性纳米粒子修饰的电极，施加高频交变磁场，可以使电极表面产生类似高温的状态，提升电解效率。不过，上面两个工作中磁场的这些效果都是以间接的方式起作用的，而且还需要特殊设计的电解器。
实验装置图（图片来源：Nat. Energy）
研究人员测试了多种OER催化剂（a, IrO2; b, NiO; c, Raney Ni; d, Ni2Cr2FeOx; e, NiFe2Ox; f, FeNi4Ox; g, ZnFe2Ox; h, NiZnFe4Ox; i, NiZnFeOx）在有无磁场条件下的极化曲线，希望确定磁场能否直接影响水电解产氢的性能。除了非磁性催化剂IrO2的改变可以忽略不计以外，其他磁性催化剂的电流密度都有明显增强，研究者称之为磁电流。
既然该现象与电极的磁性有关，于是研究者探讨了磁电流增量与电极的磁化强度之间的联系，发现二者呈线性关系。作为实验中磁化强度最大的NiZnFe4Ox电极，在1.65 V电压下，电流密度增加了近一倍。
问题来了。如果根据之前的解释，磁场主要是促进电解液的循环，那么为何电流密度会与电极的磁化强度有如此密切的关系呢？这表明这种效应与催化剂结合的氧中间体的电子自旋状态有关。
OER反应是电解水中的限速步骤，是一个缓慢且需要能量的四电子过程，O-O键的形成必须通过自旋守恒，来以此产生基态氧分子。研究者通过计算认为，磁场具有限制自旋的作用，有利于氧自由基在形成O-O键的过程中在磁性电极表面平行排列，因此对高磁性催化剂的影响最大。
有科学家评论到，这是一项非常漂亮的工作，但是，自旋对催化剂表面反应的影响是非常复杂的，具体机机理还未被完全解释。不过，该研究为碱性电解槽技术的技术改进开拓了道路，如果这种方法可以规模化应用，很可能降低电解水产氢的成本，让我们距离这种清洁燃料更近一步。
原创稿件
制作 曾子芹 西南交通大学
审校 赵峥 北京师范大学物理系教授
参考来源：
[1] Direct magnetic enhancement of electrocatalytic water oxidation in alkaline media Felipe A. Garcés-Pineda, Marta Blasco-Ahicart, David Nieto-Castro, Núria López, José Ramón Galán-Mascarós Nat. Energy, 2019, 4, 519–525, DOI: 10.1038/s41560-019-0404-4
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