近日，我院王维教授团队在《Applied Catalysis B-Environment and Energy》期刊在线发表题为“Phase transition and ternary alloying synergistically boosting magnetic field response for methanol oxidation reaction on L1₀-FeCrPt nanochains”的研究论文。

构建碳中和绿色能源系统是实现清洁能源转型的重要目标，近年来受到广泛关注。直接甲醇燃料电池（DMFC）因其能量密度高、成本低、安全性好等优势，被视为便携式电子设备的潜在理想电源。DMFC的核心反应是甲醇氧化反应（MOR），使用甲醇替代传统化石燃料有助于降低二氧化碳排放。通过光催化或电催化技术，可将生成的二氧化碳重新转化为甲醇等小分子C₁化合物，进而实现碳循环闭合，推动碳中和。因此，开发高效策略以加快MOR反应动力学，对于促进DMFC技术发展具有重要意义。近年来，研究焦点之一在于探索磁场效应对无机小分子（如H₂、O₂、CO₂、NO_x）电催化反应的影响，并由此发展出具有显著磁场响应能力的自旋催化剂，包括纳米颗粒、金属单原子催化剂、二维材料及异质结构等。外部磁场不仅能提升催化活性，还可增强电池整体性能。然而，目前在强化MOR中磁场效应方面仍面临若干挑战：（1）缺乏可控制备具有强磁场响应和高催化活性的自旋催化剂的合成策略；（2）尚未建立普适性的参数以描述材料对磁场的响应特性；（3）对磁场作用下催化剂结构演变过程的理解仍不深入；（4）对磁场敏感反应中间体的认知较为有限。解决上述问题将为自旋催化剂的精准设计与构筑奠定理论基石。设计具有强外部磁场响应能力的磁性材料，对提升能量转换与存储系统中的电催化及热催化反应效率至关重要。尽管在氢、氧相关电催化反应的自旋催化剂研究方面已取得显著进展，但面向甲醇等有机小分子反应的自旋催化剂体系仍显不足，这在很大程度上限制了对磁场影响电化学反应机制的深入探索。

本研究以包覆退火制备的L1₀-FeCrPt纳米球链为模型体系，通过三元金属合金化和相转变协同作用对自旋-电子结构进行调控，从而增强磁响应特性，实现磁场对甲醇氧化反应的促进作用。通过活化能计算得到磁矩参量作为磁响应特性的描述符，以估算磁场对活化能的降低作用，并进一步展示磁场在CO*和OH*吸附、O-H键断裂步骤的反应机理。本研究所构建的L1₀-FeCrPt纳米球链表现出卓越的结构稳定性和显著增强的磁场响应特性。将Cr与FePt合金化，并通过包覆退火完成从FCC相到L1₀相转变后，8000 Oe磁场可将L1₀-FeCrPt的MOR活性提升41%，超过了FCC FeCrPt和L1₀-FePt的13%和30%。基于活化能与磁场之间的线性关系，提出了磁矩参量（M）以评估磁响应特性，其中L1₀-FeCrPt的M值达到46839 emu/g，是L1₀-FePt的2.7倍。DFT计算表明，由于外部磁场有助于优化CO*吸附、O-H键断裂以及OH*活性基团参与反应，L1₀-FeCrPt的反应势垒显著降低。本研究通过三元合金化和相工程，提供了一种设计具有高磁场响应特性的自旋催化剂的方法。

该论文通讯单位为北京化工大学数理学院，学院2023级硕士研究生莫奇琦为本文第一作者，王维教授和刘家龙副教授为本文通讯作者，该研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126475

图文简介：

图1 (a) FePt-NF、FeCrPt-NF、A-FePt-NC和A-FeCrPt-NC样品的XRD。(b)化学无序的FCC-FeCrPt和化学有序的L10 A-FePt-NC及A-FeCrPt-NC示意图。

图2 (a) 无磁场作用下室温甲醇溶液中样品的If峰电流。(b) 经过1000个循环的ADT实验前后If峰电流的变化。(c) 在不同磁场作用下A-FeCrPt-NC的典型CV曲线。(d) 300 K下FePt-NF和FeCrPt-NF的M-H回线。(e) 300 K下A-FePt-NC和A-FeCrPt-NC的M-H回线。 (f) If峰随磁场变化的速率。

图3 (a1)-(a5)分别为A-FePt-NC在0到8000 Oe磁场下的阿累尼乌斯图，(b1)-(b5)分别为A-FeCrPt-NC的阿累尼乌斯图。（c-d）活化能随磁场变化的线性拟合。（f）活化能下降的机理。

图4 (a) L10-FePt和(b) L10-FeCrPt在常态和铁磁态（FM）下吉布斯自由能反应路径图。

作者介绍：

刘家龙，北京化工大学数理学院副教授，硕士生导师，北京航空航天大学博士。担任《Rare Metals》、《SmartSys》期刊青年编委，担任《Advanced Functional Materials》等专刊编委，主要从事磁性纳米材料的制备、微结构表征与加工及光电催化应用。目前以第一或通讯作者在Appl. Catal. B，Energy Environ. Mater.，Nano Res.，Chem. Eng. J.，Nanoscale，Chem. Commun.，Sep. Purif. Tech.等具有重要影响力的国际刊物上发表SCI论文30余篇，主持承担国家自然科学基金面上和青年项目等多项国家和省部级科研项目，作为骨干成员参与中科院先导专项、科技部重大专项和国家自然科学基金面上项目。

王维，北京化工大学教授，博士生导师，上海交通大学博士，2012年赴意大利理论物理中心访问，2014-2015年，赴美国德州大学阿灵顿分校访学，现为北京化工大学数理学院院长，担任《Advanced Functional Materials》、《Annalen der Physik》、《Advanced Magnetic and Quantum Materials》专刊编委，《材料工程》、《航空材料学报》期刊青年编委。主要从事磁性纳米材料结构调控、物性机理及相关器件研究，在磁性材料的理论和实验研究方面有长期工作积累，重点关注铁氧体磁性纳米材料的可控制备、二维石墨烯/过渡金属硫化物等材料体系结构构筑与性能调控，以及低维磁性复合纳米材料在电磁屏蔽、光电催化等领域的应用，开发了系列可控制备低维纳米材料的实验技术和方法。在JACS，Adv. Funct. Mater.，Phys. Rev. B，Adv. Sci.等学术期刊发表研究论文100余篇，主持国家自然科学基金青年项目、面上项目、国际合作与交流项目，北京市自然科学基金面上项目等。