磁场助力清洁能源

磁场助力清洁能源

在追求可持续能源来源变得至关重要的时代，研究人员正在不懈地探索创新途径，以增强燃料生产过程。将化学能转化为电能以及反之亦然的过程中，最重要的工具之一是电催化，该技术已经在各种绿色能源技术中得到应用。

电催化通过使用催化剂加速电化学反应，催化剂是指能够提高反应速率而自身不被消耗的物质。电催化在燃料电池和电解器等设备中起着基础作用，它使得诸如氢和氧等燃料高效转化为电能，或者水高效转化为氢氧，从而促进了清洁能源的循环。

但问题在于效率。传统的电催化方法通常无法最大限度地促进反应物输送到催化剂表面，这是能量转化的关键步骤。这降低了反应的整体效率，并减缓了我们朝着清洁能源解决方案的进展。

现在，由EPFL的Magalí Lingenfelder领导的科学家们开发了一种新方法，来跟踪提高清洁燃料生产效率的基本过程。这项发表在《自然通讯》杂志上的工作聚焦在磁场与电催化的有希望的交叉点上，提供了一条更高效、更环保的燃料生产技术路径。

该研究表明，在磁场环绕下的催化剂会产生洛伦兹力--磁场对移动电荷的施加力。这反过来引起涡旋运动，增强了催化剂表面的反应物和产物的运动，确保了更一致和更快速的反应，同时也克服了反应物稀缺性所带来的限制，这是氧还原反应（ORR）中常见的障碍，对于燃料电池至关重要。

为了做到这一切，研究人员必须建立一个工具，实时观察离子在磁场下的运动，使用先进的磁电化学装置。对于这个复杂的设置，Lingenfelder求助于她的办公室邻居和自旋电子学专家Jean-Philippe Ansermet教授，他也研究了自旋效应在电化学中的作用。

“我们改进了Jean-Philippe的电磁铁，用于测量磁场对绿色能源关键电催化反应的影响。”她说。“利用Priscila和Yunchang（该研究的第一作者）开发的创新技巧，我们能够追踪在磁场下电解质中离子的运动，并且为如何应用磁场来提高电催化提供了坚实基础。”

通过在非磁性电极上施加磁场并监测反应，科学家们能够分离不同的影响，并观察磁力如何搅拌和增强催化剂周围的反应物运动。这个过程类似于产生微型漩涡，显著提高了对绿色氢能生产至关重要的反应的效率，为推进可持续能源技术提供了一个有前途的途径。

这种新方法实用吗？在研究中，科学家们展示了非磁性界面上磁场对氧还原反应的活性提升超过50%。这代表了效率的显著提升，但更重要的是，使团队能够通过展示磁场增强不同的涉及气体产物或反应物（如氢和氧）的电催化反应的机制和条件，解决了该领域的许多基本争议。

这项研究为利用磁场提高电催化效率的方法铺平了道路，可以推动我们朝着更有效的可持续燃料生产迈进。它可以革新能源转换技术，使燃料电池更广泛地应用，比如在氢能车辆中，并增加氢气作为清洁能源的产量，也缓解了我们的能源消耗对地球气候变化的影响。