近日，南京大学闫世成教授/邹志刚院士团队在热-电耦合可再生能源制氢领域取得新进展。课题组从调控能量场来控制材料电子结构的角度出发，提出了基于热致物理效应的热-电耦合制氢催化材料设计理念，热不仅仅促进传质过程(Arrhenius方程描述的线性热-电耦合关系)，同时也是维持材料电子态的重要参量(通常诱发非线性的热-电耦合效应)，从而有效降低电子转移势垒。
可再生能源分布和生产具有时空不均衡性，可再生能源制氢是实现可再生能源跨时空调配的有效途径。然而，能量转换效率依然是制约能源结构从"碳循环"到"氢循环"转变的主要因素。能量之间的耦合增益效应是实现能量转换效率最大化的一种潜在途径，但仍需要探索能量耦合增益的物理机制和材料基础。
图1（a）理想情况下的以氧化还原电对为媒介的电化学水氧化剂的电流-电压极化曲线，其中KM表示氧化还原电对的氧化速率常数，KOER表示电化学水氧速率常数。（b）热致物理效应降低电化学反应势垒。（c）单一电力输入水氧化势垒和基于热致物理效应的热-电耦合水氧化势垒。
课题组从调控能量场来控制材料电子结构的角度出发，提出了基于热致物理效应的热-电耦合制氢催化材料设计理念，热不仅仅促进传质过程(Arrhenius方程描述的线性热-电耦合关系)，同时也是维持材料电子态的重要参量(通常诱发非线性的热-电耦合效应)，从而有效降低电子转移势垒。基于此设计理念，课题组前期提出了基于热致磁相变的高效热-电耦合催化材料的可再生电力水氧化制氢反应(Adv. Funct. Mater. 2022, 2111234)。近期，课题组进一步将热致磁相变应用于界面电子转移势垒调控，通过热场调控NiFeN@NiFeOOH铁磁核-反铁磁壳结构的内核和外壳磁性有效降低了界面电子转移势垒（图1）。铁磁-反铁磁界面的电子转移需要电子自旋翻转因而势垒较高，随着温度的提升，铁磁内核NiFeN在居里温度点55oC转变为顺磁，构成NiFeN@NiFeOOH顺磁核-反铁磁壳界面结构有效降低界面电子转移势垒，而进一步提升温度至70oC达到NiFeOOH反铁磁-顺磁相变点，催化剂形成了顺磁性的NiFeN@NiFeOOH核-壳界面，极大地降低了界面自旋翻转的能垒，使得电子具有更小的转移势垒，甚至较低的电子转移势垒使得在高温区域发生了热化学水氧化反应。该工作以“Heat-induced magnetic transition for water electrolysis on NiFeN@NiFeOOH core-shell assembly”为题发表在Nano Letters (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03634)杂志上，物理学院陆梦非博士为论文第一作者，南京大学现代工程与应用科学学院闫世成教授和哈尔滨工业大学张伦勇副教授为论文通讯作者。
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