단일 원자 촉매는 자기장에 의해 증폭되면 스핀 상태가 변경됩니다.

촉매의 역할은 궁극적으로 반응 속도를 높이는 것이며, 이를 통해 한 시간 걸리는 과정을 몇 분으로 단축할 수 있습니다. 최근 외부 자기장을 사용하여 단일 원자 촉매(SAC)의 스핀 상태를 조절하는 것이 매우 효과적이라는 것이 밝혀졌습니다. 산소 발생 반응의 자기 전류를 무려 2,880%나 증가시키는 것입니다.

이를 염두에 두고, 도호쿠 대학의 연구진은 스핀 상태를 조절하고, 이를 통해 전기 촉매 성능을 개선하기 위해 외부 자기장을 적용하는 완전히 새로운 전략을 제안했습니다.

이 연구는 암모니아 생산 및 폐수 처리를 위한 효율적이고 지속 가능한 전기화학 기술 개발에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.

전기촉매 분야에서 전통적인 방법은 주로 촉매의 화학적 조성과 구조를 조정하는 데 중점을 두고 있습니다.

자기 유도 스핀 상태 변조의 도입은 촉매 설계와 성능 개선에 새로운 차원을 제공합니다.

이는 외부 자기장을 통해 촉매의 전자 스핀 상태를 조절하는 것으로, 반응 중간체의 흡착 및 탈착 과정을 정밀하게 제어하여 반응의 활성화 에너지를 효과적으로 줄이고 반응이 더 빠르게 진행될 수 있도록 합니다.

도호쿠 대학 첨단재료연구소(WPI-AIMR)의 하오리 씨는 "생산 공정의 효율성을 높이면 비용이 절감되고, 이는 소비자 수준에서 비료나 처리수와 같은 제품의 가격을 낮추는 데 도움이 될 수 있다"고 설명했다.

이 연구에서는 고급 특성화 기술을 사용하여 자기장이 높은 스핀 상태로 전이를 일으켜 질산염 흡착을 개선한다는 것을 증명했습니다.

이론적 분석은 또한 스핀 상태 전이가 전기 촉매 능력을 향상시키는 구체적인 메커니즘을 보여줍니다.

외부 자기장에 노출되었을 때 Ru-NC 전기 촉매는 높은 NH 3 수율(~38 mg L -1 h -1)과 200시간 이상 동안 ~95%의 패러데이 효율을 나타냈습니다.

이는 외부 자기장의 증가 없이 정확히 동일한 촉매와 비교했을 때 상당한 개선을 나타냅니다.

궁극적으로 이 연구는 자기장, 스핀 상태, 촉매 성능 간의 관계를 탐구함으로써 전기 촉매에 대한 이론적 이해를 풍부하게 합니다.

동시에 실험 결과는 미래 연구와 새로운 촉매 개발을 위한 참고 자료를 제공하며, 전기화학 기술의 실용적 적용을 위한 견고한 기반을 마련합니다.

해당 연구 결과는 2025년 5월 13일 Nano Letters 에 게재되었습니다.

APC 비용은 도호쿠대학교 지원 프로그램의 지원을 받았습니다. 본 연구의 주요 결과는 하오리 연구실에서 개발한 최대 규모의 실험 및 계산 촉매 데이터베이스인 디지털 촉매 플랫폼(DigCat)에서 확인할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250530123830.htm