稳态强磁场实验装置用户在磁控化学反应研究中取得重大进展
时间 : 2021-07-14     

近日,稳态强磁场实验装置(SHMFF)用户中科院合肥研究院强磁场科学中心盛志高研究团队利用SHMFF所属的超导磁体SM1开展特殊功能材料研究,发现强磁场可以有效调控化学反应的速率、反应路径以及反应产物。该研究不仅证实了强磁场在化学反应调控中具有不可忽视的重要作用与巨大潜力,还为特种功能材料的磁控合成提供了新的路径与机遇。相关研究成果“Magneto-Revealing and Acceleration of Hidden Kirkendall Effect in Galvanic Replacement Reaction”发表在Journal of Physical Chemistry Letters期刊上。

实现对化学反应速率和产物的控制是化学及材料科学领域研究的核心问题。与温度、压力一样,磁场是一种重要的基本热力学参量,可以通过无接触的能量传递方式直接作用于物质的基本组成单元——原子核及核外电子,进而影响物质的物理和化学性质。如能将磁场、尤其是强磁场这一调控维度引入到材料合成的化学反应中去,将有助于帮助人类发现新奇磁控效应、创造新的物质。

瞄准强磁场调控化学反应与材料合成这一前沿方向,SHMFF用户中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心与固体物理研究所、安徽大学组成联合攻关研究团队,继2016年发现磁控Fe3O4磁性空心结构合成 [CrystEngComm. 18, 6134(2016)]、2018年发现无磁Si纳米空心结构的磁加速效应 [CrystEngComm, 20, 710(2018)]Zn/CuSO4基础氧化还原反应的磁催化效应 [J. Phys. Chem. C 122, 21543(2018)]之后,选取经典的电置换化学反应(Galvanic Replacement reaction),进一步开展了磁控化学反应研究。

借助SHMFF所属SM1及其配套的磁控化学反应合成装备,研究团队对Mn3O4Fe2+之间的电置换反应的磁效应(磁控速率、磁控产物)进行了系统性研究。最新的研究结果表明:磁场可以有效加速Mn3O4Fe2+之间的电置换反应,使得利用Mn3O4和Fe2+反应制备空心纳米材料的反应速度显著提高,即磁场具有等效催化效果。更为有趣的是,研究团队在国际上首次发现了强磁场能在一定条件下诱导出反应体系中原本隐藏的柯肯达尔效应(Kirkendall Effect),即磁场诱导新反应。该新效应被强磁场触发后又被磁场加速,与原本的电置换反应竞争并共同作用于反应体系,进而能有效影响整个化学反应的产物。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.1c01327

图:强磁场调控电置换反应(GR)和柯肯达尔效应(KE)的示意图