Имея это в виду, исследователи из Университета Тохоку предложили совершенно новую стратегию применения внешнего магнитного поля для модуляции спиновых состояний и тем самым улучшения электрокаталитических характеристик. Это исследование дает ценную информацию относительно разработки эффективных и устойчивых электрохимических технологий для производства аммиака и очистки сточных вод.

В области электрокатализа традиционные методы в основном направлены на регулирование химического состава и структуры катализаторов. Внедрение магнитно-индуцированной модуляции спинового состояния открывает новые возможности для проектирования катализаторов и повышения их производительности. Она включает в себя регулирование электронного спинового состояния катализатора с помощью внешнего магнитного поля, которое может точно контролировать процессы адсорбции и десорбции промежуточных продуктов реакции, тем самым эффективно снижая энергию активации реакции и позволяя ей протекать быстрее.

"Более эффективные производственные процессы могут снизить затраты, что может привести к снижению цен на такие продукты, как удобрения и очищенная вода на потребительском уровне", - объясняет Хао Ли из Института передовых исследований материалов Университета Тохоку (WPI-AIMR).

В исследовании использовались передовые методы определения характеристик, чтобы доказать, что магнитное поле вызывает переход в состояние с высоким спином, что улучшает адсорбцию нитратов. Теоретический анализ также показывает специфическую механику того, почему переход из спинового состояния улучшает электрокаталитическую способность. При воздействии внешнего магнитного поля электрокатализатор Ru-N-C продемонстрировал высокий выход _NH3 (~38 мг л^-1 ч^-1) и фарадеевскую эффективность ~95% в течение более 200 часов. Это представляет собой значительное улучшение по сравнению с точно таким же катализатором, но без усиления от внешнего магнитного поля.

В конечном счете, эта работа обогащает наше теоретическое понимание электрокатализа, исследуя взаимосвязь между магнитными полями, спиновыми состояниями и каталитическими характеристиками. В то же время результаты экспериментов служат ориентиром для будущих исследований и разработки новых катализаторов, закладывая прочную основу для практического применения электрохимических технологий.

Результаты были опубликованы в журнале Nano Letters 13 мая 2025 года.

Плата за обучение в APC была оплачена Программой поддержки университета Тохоку. Ключевые результаты этого исследования доступны на платформе Digital Catalysis Platform (DigCat), крупнейшей на сегодняшний день базе данных по экспериментальному и вычислительному катализу, разработанной лабораторией Хао Ли.