磁场辅助腐蚀工程原位构建NiFe氢氧化物-氧化铁异质结催化剂用于增强析氧反应

针对析氧反应(OER)中自旋守恒和电子转移效率低下的关键问题，研究人员通过磁场(MF)辅助铁氧化细菌(IOB)腐蚀工程，成功构建了具有高自旋态的Ni(Fe)(OH)2-Fe2O3异质结催化剂。该催化剂在100 mA cm-2电流密度下过电位仅264 mV，较无磁场样品降低38 mV，其晶格位错和电子自旋极化特性显著提升了OH-吸附能力，为清洁能源技术的发展提供了新思路。

　　

在追求碳中和的时代背景下，析氧反应(OER)作为水分解制氢的瓶颈反应，其四电子转移过程的高能垒严重制约着清洁能源的发展。传统贵金属催化剂虽性能优异，但高昂成本阻碍了规模化应用。更棘手的是，常规异质结催化剂制备往往需要严苛条件，而微生物腐蚀工程虽环境友好，却存在反应速率缓慢的缺陷。与此同时，OER过程中氧分子形成涉及自旋守恒的量子效应，如何调控催化剂电子自旋状态成为突破性能极限的关键科学问题。

针对这些挑战，湖北省大学生创新创业训练计划支持下的研究团队创新性地将磁场(MF)与铁氧化细菌(IOB)腐蚀相结合，在《Journal of Alloys and Compounds》发表了突破性成果。研究人员通过MF诱导Fe₂O₃有序生长并产生晶格位错，成功构建了Ni(Fe)(OH)₂-Fe₂O₃异质结催化剂。该工作首次揭示了外部磁场对微生物代谢和材料自旋态的双重调控机制，为设计高效OER催化剂提供了全新范式。

关键技术方法包括：1) 从中国石化油田污泥中分离培养IOB菌株；2) 在0.1T磁场环境下进行镍铁基材的微生物腐蚀；3) 通过X射线衍射(XRD)和穆斯堡尔谱表征晶格畸变；4) 电化学测试系统评估OER性能；5) 自旋分辨光谱技术解析电子态变化。

【结果与讨论】

材料制备机理：MF加速IOB代谢促使Fe³⁺释放量提升47%，Cl^-水解产生的OH^-与金属离子结合形成NiFe-LDH，同时Fe(OH)₃脱水生成α-Fe₂O₃纳米晶。

结构表征：MF诱导样品呈现(110)晶面择优取向，位错密度达1.2×10¹² cm^-2，比无磁场样品高3倍。X射线光电子能谱(XPS)显示Ni²⁺/Ni³⁺比值从1.8降至1.2，证实MF促进电子转移。

性能测试：最佳样品在1M KOH中达到100 mA cm^-2仅需264 mV过电位，Tafel斜率低至42 mV dec^-1，连续工作120小时性能衰减<5%。自旋极化测试表明高自旋态Fe³⁺(t_2g³e_g²)占比提升至78%。

机理分析：MF产生的洛伦兹力促进OH^-扩散，使表面吸附能降低0.15 eV。密度泛函理论(DFT)计算显示异质界面处电荷密度重分布，O₂解离能垒下降0.3 eV。

这项研究开创性地将生物腐蚀与物理场调控相结合，不仅将微生物腐蚀效率提升2.3倍，更通过自旋工程突破了异质结催化剂的性能极限。其重要意义在于：1) 建立了磁场-微生物-材料自旋态的协同调控理论；2) 开发出可在常温常压实施的绿色制备工艺；3) 为非贵金属OER催化剂设计提供了晶格畸变和电子态调控的新思路。该工作被审稿人评价为"将环境微生物学与量子材料科学交叉融合的典范"，相关技术已申请中国发明专利。