近日,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)用戶中科院合肥研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心盛志高研究團(tuán)隊(duì)利用SHMFF所屬的超導(dǎo)磁體SM1開展特殊功能材料研究,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)可以有效調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的速率、反應(yīng)路徑以及反應(yīng)產(chǎn)物。該研究不僅證實(shí)了強(qiáng)磁場(chǎng)在化學(xué)反應(yīng)調(diào)控中具有不可忽視的重要作用與巨大潛力,還為特種功能材料的磁控合成提供了新的路徑與機(jī)遇。相關(guān)研究成果“Magneto-Revealing and Acceleration of Hidden Kirkendall Effect in Galvanic Replacement Reaction”發(fā)表在Journal of Physical Chemistry Letters期刊上。
實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和產(chǎn)物的控制是化學(xué)及材料科學(xué)領(lǐng)域研究的核心問題。與溫度、壓力一樣,磁場(chǎng)是一種重要的基本熱力學(xué)參量,可以通過無接觸的能量傳遞方式直接作用于物質(zhì)的基本組成單元——原子核及核外電子,進(jìn)而影響物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)。如能將磁場(chǎng)、尤其是強(qiáng)磁場(chǎng)這一調(diào)控維度引入到材料合成的化學(xué)反應(yīng)中去,將有助于幫助人類發(fā)現(xiàn)新奇磁控效應(yīng)、創(chuàng)造新的物質(zhì)。
瞄準(zhǔn)強(qiáng)磁場(chǎng)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)與材料合成這一前沿方向,SHMFF用戶中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心與固體物理研究所、安徽大學(xué)組成聯(lián)合攻關(guān)研究團(tuán)隊(duì),繼2016年發(fā)現(xiàn)磁控Fe3O4磁性空心結(jié)構(gòu)合成 [CrystEngComm. 18, 6134(2016)]、2018年發(fā)現(xiàn)無磁Si納米空心結(jié)構(gòu)的磁加速效應(yīng) [CrystEngComm, 20, 710(2018)]和Zn/CuSO4基礎(chǔ)氧化還原反應(yīng)的磁催化效應(yīng) [J. Phys. Chem. C 122, 21543(2018)]之后,選取經(jīng)典的電置換化學(xué)反應(yīng)(Galvanic Replacement reaction),進(jìn)一步開展了磁控化學(xué)反應(yīng)研究。
借助SHMFF所屬SM1及其配套的磁控化學(xué)反應(yīng)合成裝備,研究團(tuán)隊(duì)對(duì)Mn3O4和Fe2+之間的電置換反應(yīng)的磁效應(yīng)(磁控速率、磁控產(chǎn)物)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。最新的研究結(jié)果表明:磁場(chǎng)可以有效加速M(fèi)n3O4和Fe2+之間的電置換反應(yīng),使得利用Mn3O4和Fe2+反應(yīng)制備空心納米材料的反應(yīng)速度顯著提高,即磁場(chǎng)具有等效催化效果。更為有趣的是,研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)磁場(chǎng)能在一定條件下誘導(dǎo)出反應(yīng)體系中原本隱藏的柯肯達(dá)爾效應(yīng)(Kirkendall Effect),即磁場(chǎng)誘導(dǎo)新反應(yīng)。該新效應(yīng)被強(qiáng)磁場(chǎng)觸發(fā)后又被磁場(chǎng)加速,與原本的電置換反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)并共同作用于反應(yīng)體系,進(jìn)而能有效影響整個(gè)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。
文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.1c01327

圖:強(qiáng)磁場(chǎng)調(diào)控電置換反應(yīng)(GR)和柯肯達(dá)爾效應(yīng)(KE)的示意圖?