随着能源危机日益严峻，开发高效、稳定的析氢/析氧催化剂，成为实现推动能源转型的关键路径。然而，当前广泛研究的Ru基电催化剂在析氧反应OER中存在动力学缓慢的固有缺陷，同时在析氢反应HER中面临较高的水分解自由能垒，严重制约整体催化效率。此外，Ru基催化剂的性能提升正逼近技术上限，亟需探索新型催化剂设计策略以突破现有瓶颈。

近日，青岛大学龙云泽教授团队（论文第一作者是硕士生李凌云和博士生刘进华，通讯作者是杨文华、李凯、张俊和龙云泽）在期刊《Journal of Materials Chemistry A》上，发表了最新研究成果“Effects of Steady Magnetic Fields on NiRuO2 Nanofibers for Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction and Oxygen Evolution Reaction”。研究者通过静电纺丝结合煅烧处理，制备出镍掺杂二氧化钌纳米纤维催化剂，在外加稳恒磁场（800 mT）下表现出优异的电催化性能，在10 mA cm-2电流密度下，析氧反应OER过电位降至280 mV，析氢反应HER过电位仅为1 mV。

研究发现，磁场可驱动自旋态由高自旋向低自旋转变，增强催化活性位点与反应中间体的相互作用；增强M-3d与O-2p轨道的杂化作用，优化电子耦合效应和电催化性能。该工作不仅揭示了自旋态对催化路径的深远影响，也为开发高效电解水催化剂、推动清洁能源技术的实际应用开辟了新途径。

图1：NiRuO2纳米纤维NFs的形貌表征。

如图1，通过各项形貌表征证明了NiRuO2纳米纤维NFs的成功制备。SEM（图1a）、TEM（图1b、c）显示纤维表面粗糙，有利于暴露更多的活性位点，促进电催化反应高效进行。HRTEM（图1d）表明RuO2的金红石型结构未被破坏；选区电子衍射图谱（图1e）显示出清晰的多晶衍射环，证实其多晶特性；元素映射图（图1f）证实了Ni、Ru、O元素在纤维中的共存及均匀分布。

图2：NiRuO2纳米纤维NFs的结构表征及磁性表征。

如图2，通过XRD（图2a）、Raman（图2b）和XPS（图2c、d）表征结果证实了Ni成功掺杂进入了RuO2的晶格体系当中，使其电子结构发生改变。磁滞回线（图2e）显示NiRuO2 NFs在室温下表现出弱残余磁化和中等饱和磁化，引入Ni后导致了更强的磁响应。M-T（图2f）显示出明显的反铁磁行为，证明主体结构为RuO2。

图3：NiRuO2纳米纤维NFs的HER和OER电催化性能。

NiRuO2 NFs催化剂具有高效且稳定的HER和OER性能（图3a、c），远超纯RuO2 NFs催化剂。在稳恒磁场作用下，性能得到进一步提升：当磁场强度为800 mT时，在10 mA cm-2电流密度下，OER过电位为280 mV、HER过电位为1 mV。同时还具有良好的反应动力学（图3e中Tafel斜率降低）及极低的电荷转移电阻（图3f）。此外，NiRuO2 NFs在有磁和无磁条件下均展现出卓越的长期稳定性（图3h）。

图4：理论计算及机理分析。

通过准原位M-T测试得到的磁化率曲线（图4a、b）显示，磁场引入可增加低自旋占有率，诱导自旋态从高自旋向低自旋转变。密度泛函理论计算进一步揭示：d带中心下移（图4c），降低了活性位点与含氧中间体间的吸附强度。同时，高/低自旋态下关键中间体键级的计算（图4d）显示低自旋可降低活性自由基团的键级，减弱中间体吸附促进反应动力学。此外，磁场显著降低了氧化物路径机制OPM（oxide path mechanism）的反应能垒（图4e），有效提升电解水效率。

综上，这项工作成功制备了镍掺杂的RuO2纳米纤维催化剂，通过外加磁场的调控，实现了对电子自旋态的精准优化（高自旋到低自旋转变），显著地提高了催化剂的HER以及OER活性。该策略为设计高效、磁性可调的电催化剂提供了新的理论指导和技术思路。

论文链接：http://doi.org/10.1039/D5TA04061B

人物简介：

杨文华，青岛大学物理学院助理教授，主要从事功能材料的理论设计及其电子结构与调控的微观机理研究，具体包括超导材料的理论设计与机理探索、能源物理及器件、催化材料的机理计算研究等方向，并在Phys. Rev. B, Adv. Funct. Mater., Appl. Phys. Lett., Nano Lett.等国际期刊发表SCI论文50余篇。

李凯，青岛大学物理科学学院助理教授，硕士生导师。2020年毕业于中国科学技术大学，获理学博士学位。2019-2020年获国家留学基金委资助在美国进行博士联合培养。现主持国家自然科学基金青年基金项目和企业横向项目1项。主要从事磁约束核聚变装置物理、磁学与磁性材料等相关方面的研究。目前，在Nucl. Fusion、Plasma Phys. Control Fusion、Chin. Phys. B等期刊发表论文10余篇。

张俊，青岛大学物理学院特聘教授，青岛大学先进纳米纤维创新研究院副院长，青岛市纳米空滤技术专家工作站首席专家。主要研究静电纺丝装置的开发以及纳米纤维材料在光学、抗菌敷料、能源和催化材料等领域的应用。在Advanced Functional Materials, Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Materials Horizons等发表论文70余篇；参编英文专著4本。研究成果曾被青岛日报社、新浪网等媒体报道。2020年荣获国防科技创新大赛一等奖，2023年荣获中国发明协会一等奖。

龙云泽，青岛大学物理学院教授，先进纳米纤维创新研究院院长，山东省中法纳米纤维和光电器件合作研究中心主任，山东省高等学校国际合作联合实验室（静电纺丝功能微纳米纤维）主任，全国模范教师，教育部新世纪优秀人才，山东省泰山学者，山东省有突出贡献的中青年专家，山东省杰青，国际先进材料学会会士。长期从事静电纺丝技术、功能纳米纤维的制备以及在能源催化、伤口敷料、过滤分离、传感器、纺织面料等方面的应用。在Chem. Soc. Rev., Prog. Polym. Sci., Prog. Mater. Sci., Nature Mater., Nature Commun., Adv. Mater., Angew. Chem.等发表论文500多篇（入选全球前2%顶尖科学家以及中国高被引学者）；参编英文专著13本；授权国内专利150余项，国外专利7项，转让/许可专利17项。获中国发明创业奖创新奖一等奖、国防科技创新大赛一等奖、山东省自然科学奖二等奖、北京市科学技术奖二等奖、中国产学研合作创新成果奖二等奖等。