單原子催化劑，因其超高的原子利用率，且對(duì)大部分電催化反應(yīng)都具有超高的催化活性，已經(jīng)成為了異質(zhì)催化中一個(gè)全新的前沿領(lǐng)域。近年來(lái)，為了進(jìn)一步加快單原子催化劑的催化反應(yīng)，很多的研究工作主要集中在提高活性單原子密度。但是，隨著活性單原子負(fù)載量的增加，單原子因其較高的表面自由能不可避免地會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致其催化能力下降。不同于以往這些在單原子催化劑設(shè)計(jì)與制備層面的提升策略，外場(chǎng)調(diào)制策略對(duì)于進(jìn)一步提升單原子催化劑的催化活性將會(huì)是一個(gè)極具前景的方式。眾所周知，在高頻交變磁場(chǎng)下，磁性單疇納米顆粒相對(duì)于晶格的自旋翻轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生與Néel弛豫相關(guān)的磁加熱效應(yīng)。如果高頻交變磁場(chǎng)能夠激發(fā)單原子催化劑自旋相關(guān)的磁加熱效應(yīng)，加熱活性單原子從而最大限度地提升單原子的利用效率，將會(huì)是進(jìn)一步促進(jìn)單原子催化劑活性的一種可行而有效的技術(shù)。近期，江西師范大學(xué)袁彩雷教授團(tuán)隊(duì)在合成大面積空氣穩(wěn)定的單分子層二硫化鉬的基礎(chǔ)上，通過(guò)激光分子束外延技術(shù)將Gd單原子錨定在單層二硫化鉬中，成功制備了Gd@MoS2單原子催化劑。由于Gd(4f)、Mo(4d)、S(3p)之間的強(qiáng)雜化作用，Gd單原子催化劑表現(xiàn)出面內(nèi)室溫鐵磁性，同時(shí)自旋密度主要集中在錨定的Gd單原子上。自旋相關(guān)的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，Gd 單原子催化劑的自旋極化方向會(huì)隨著磁場(chǎng)方向的變化而變化。因此，當(dāng)施加高頻交變磁場(chǎng)時(shí)，Gd單原子催化劑會(huì)隨著交變磁場(chǎng)變化而發(fā)生自旋翻轉(zhuǎn)（或傾斜），從而產(chǎn)生與Néel弛豫相關(guān)的磁加熱效應(yīng)，這種局域在活性位點(diǎn)（Gd）附近的磁加熱效應(yīng)大幅提高了該單原子催化劑的析氫反應(yīng)活性。該工作利用高頻交變磁場(chǎng)能夠?qū)d單原子的自旋極化方向產(chǎn)生影響從而觸發(fā)局部磁加熱的特性，在不需要提升負(fù)載量的情況下加熱活性單原子，進(jìn)一步提升了單原子催化劑的析氫活性，為最大限度地發(fā)揮單原子的催化潛力提供了新的途徑，同時(shí)也為單原子催化劑的未來(lái)發(fā)展提供了一個(gè)新的研究方向。
圖1. Gd@MoS2單原子催化劑的晶體結(jié)構(gòu)與成分表征
圖2. Sv@MoS2和Gd@MoS2的吉布斯自由能對(duì)比及其析氫測(cè)試
圖3. Sv@MoS2和Gd@MoS2的磁學(xué)性質(zhì)測(cè)試，態(tài)密度計(jì)算以及兩者的自旋分布圖
圖4. Sv@MoS2和Gd@MoS2在不同靜磁場(chǎng)方向下析氧性能的測(cè)試，靜磁場(chǎng)下Gd@MoS2自旋翻轉(zhuǎn)示意圖，Sv@MoS2和Gd@MoS2在交變磁場(chǎng)下的析氫反應(yīng)示意圖。
圖5. Gd@MoS2單原子催化劑在高頻交變磁場(chǎng)下的析氫性能測(cè)試
圖6. Gd@MoS2單原子催化劑的穩(wěn)定性測(cè)試研究成果近期以“Atomic magnetic heating effect enhanced hydrogen evolution reaction of Gd@MoS2single-atom catalysts”為題發(fā)表在Small上，并被評(píng)選為期刊封面（Inside Front Cover）。袁彩雷教授課題組碩士研究生曾巍和博士研究生江珍真為論文的共同第一作者，通訊作者為袁彩雷教授，江西師范大學(xué)為論文第一完成單位。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委以及江西省主要學(xué)科學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人培養(yǎng)計(jì)劃-領(lǐng)軍人才項(xiàng)目的支持。文章鏈接如下：https://doi.org/10.1002/smll.202206155
