撰稿 / 鄭淳澧 (科學推展中心特約編輯)
圖一、示意圖，左方為在酸性溶液中，以水熱合成法將鐵磁原子參雜於 MoS2中，右方則說明了在外加磁場下，提升了水電解析的效率。
氫燃料電池被視為下一代燃料電池技術的重要目標，並在永續發展策略中佔有關鍵地位。這項技術的核心即是電解水的過程，過程中，我們將水分解為氫氣和氧氣，並將產生的氫氣用於燃料電池，以產生乾淨、高效、且能永續發展的能源。
但水電解產出氫和氧，除了催化材料本身水解產氫特性外，還原端的產氫效率亦取決於氧化端的析氧反應 (OER) 速度，目前水解析氧的最佳材料為二氧化釕 (RuO2) 和二氧化銥 (IrO2)，釕與銥成本高、含量低，科學界積極尋找非貴金屬的替代品。有鑑於此，淡江大學物理系教授兼主任莊程豪組成的國際團隊，設計一種水熱合成法，將鎳 (Ni)原子參雜進二維材料二硫化鉬 (MoS2)，即 Ni/MoS2，此催化材料可透過外加磁場來增進析氧速度。
圖二、左方為採用 Ni 原子作為鐵磁原子參雜於 MoS2 的結構；中間為電子顯微鏡成像，可見亮暗點即為 Ni 與 Mo 的原子排列位置；右方為放大後的電子顯微鏡成像。
圖三、a 為 300K 下，該二硫化鉬催化材料參雜進不同 Ni 含量下，產生逐漸明顯磁化磁滯曲線 (M-H) ；電子自旋共振 (ESR) 光譜，顯示該催化材料的溫度依賴性，說明因低溫而加強其磁自旋行為。
為找到二硫化鉬參雜鎳原子後對 OER 的影響，就必須量測它的磁特性，首先，固定溫度在 300K 下，Ni 含量越高磁化曲線的磁滯現象越明顯，順帶一提，若是純 MoS2則展現出順磁性 (線性)，而參雜 Ni 就是為了增加該材料的鐵磁性和同步化其自旋排列；接著改變溫度，我們也可以看到 50K – 300K 下的電子自旋共振 (ESR) 光譜呈現溫度依賴性，溫度越高降低電子自旋排列，說明整個系統的常規鐵磁特性和室溫操作的便利性。
圖四、在巨大磁場效應 (MFE) 下，鐵磁催化材料對水解析氧 (OER) 的影響，a 當磁場從 0 到 502 mT 時，電流密度 (mA/cm2) 與電壓的變化，其中 RHE 為可逆氫電極；b 為與二氧化銥及材料本身加磁場與不加的電流密度與時間變化。
在磁場從 0 增加到 502 mT 時，電流密度從 3.52 也增加到 64.19 mA/cm2，相對 RHE 為 1.6 V，而圖四 a 左上角插圖也示意此時析氧效率增加。在催化材料外加磁場後，實際與二氧化銥比較，於 1.7 V 析氧電流就達 3 倍之多，與未加磁場前一比是 6 倍之多，這顯示了藉由鐵磁原子自旋特性，在催化材料外加磁場下，可增加電解水時的析氧效率。
綜合以上所述，透過水熱合成法將鎳原子參雜進MoS2中，以外加磁場影響鎳原子的自旋，產生巨大磁場效應 (MFE) 進而影響析氧反應 (OER)，在 502 mT 的磁場下提供出色的催化性能，這是由於電子軌域的變化降低了反應能障，此刻在 1.5 – 1.8V 的電流密度更優於商用的二氧化銥。除了提高反應效率，更可提高金屬的利用率，因為只需要使用極少量的金屬原子就可以達到很好的效果，且此實驗還具有很好的穩定性，亦可推廣到海水嚴峻環境中，研究中的新型單原子自旋催化材料可說是為氫燃料電池技術的發展打開了新的一扇大門，也讓科學家重新思考鐵磁性原子於催化材料中扮演的角色。
