第一作者：张雨菲
通讯作者：冯博、关壬铨、车广波
通讯单位：白城师范学院、中国科学院半导体研究所
论文DOI：10.1002/smtd.202402041
近期的实验研究表明：磁场作为一种“非接触”式辅助外场，可有效提高光催化反应效率。而且，磁场因易于操作、强度和方向可定量调控、能源消耗小，非常适合大规模工业应用，成为外场辅助光催化研究的新焦点。
然而，磁场辅助光催化（
Magnetic Field-Assisted Photocatalysis
）的反应机理涉及物理学和化学交叉领域，由此产生的物理和化学现象之间的内在联系更为复杂。这导致设计高效的磁场辅助光催化反应体系仍缺少系统的理论支持和可靠的实验验证。
本文基于最近研究进展和前人的优秀综述工作(Adv. Funct. Mater. 2024, 2316725; Adv. Mater. 2023, 35, 2210914;
Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 16309–16328; ACS Catal. 2021, 11, 4739−4769等)，介绍了用于磁场辅助光催化研究的典型反应装置和磁场设置方法，总结了已发表研究中各种光催化剂在特定应用领域的最佳效率和实验参数，综述了已形成并得到广泛认可的反应机理、验证（表征）技术。以上内容对磁场辅助光催化的材料设计和系统改进至关重要。
1. 整理和展示了当前磁场辅助光催化研究中的典型反应装置和磁场设置方法。
2. 根据催化剂的具体应用领域对催化剂的效率和实验参数进行了分类和总结。
3. 结合最新的测试和表征技术，总结了现有磁场辅助光催化的主要机理解释。
自本世纪初以来，已经较多尝试将磁场纳入光催化反应的研究，其主要目的是通过改变磁场的方向和强度来研究磁场对光催化反应的影响。
Scheme 2
简要展示了不同时期磁场辅助光催化代表性研究的发现。
Scheme 2.
不同时期磁场辅助光催化代表性研究发现
1.
外磁场辅助光催化的实验装置
多数研究使用永磁体或电磁体为光催化反应装置提供恒定磁场。这些装置的共同点是最大程度地实现光催化剂在催化反应期间以切割磁场线的方向做相对运动，以充分利用外部磁场来诱导电子自旋极化、洛伦兹力、负磁阻和感应电动势效应，提高催化效率和产物选择性。
在某些特殊的反应体系中，由于催化剂的形貌独特、载体尺寸大，传统的搅拌方式难以实现光催化剂的均匀分散和切割磁场线的相对运动。在这种情况下，使用周期性变化的磁场是不错的选择，同时可以分析磁场变化周期对催化反应的影响。
2.
磁场辅助光催化在能源和环境领域中的应用
已有实验研究表明，磁场的引入使一些具有表面缺陷的、顺磁性元素掺杂或与磁性金属或氧化物的催化材料在有机污染物降解、分解水产H
2
、CO
2
还原、NH
3
合成、H
2
O
2
合成以及去除水体藻类的应用中光催化活性显著提升。
3.
磁场增强光催化性能的机理及解释
(1) 加磁场可加强电子自旋极化现象，导致反应体系中电子自旋多重度的变化，实现光生电子从基态到单重态和三重态的多通道激发跃迁，减少了光生电子与空穴的复合，增强反应产物的选择性。此外，加磁场对半导体光催化剂的电子结构和能级分布产生塞曼效应。这种效应导致导价带的能级分裂，使得光激发过程能够利用能量较低的光子，从而拓宽了吸收光谱。目前，研究光催化反应中电子自旋极化的关键表征技术包括电子顺磁共振（EPR）光谱、磁圆二色谱（MCD）、瞬态吸收光谱（TA）、磁导原子力探针显微镜（mc-AFM）和密度泛函理论（DFT）模拟计算等。
(2) 光生电子和空穴携带相反电荷，使得它们在磁场（特别是穿过磁场线）的运动中会受到方向相反的洛伦兹力作用，使得光生电子和空穴加速分离和传输，延长了光生载流子的寿命。同时，磁场还会对运动的带电离子（溶液中带负电荷的OH
-
离子）和污染物分子产生洛伦兹力，从而加速其在溶液中的迁移和扩散，影响光催化过程。
(3) 基于电磁感应的原理和规律，利用垂直于磁场运动的金属基纳米材料产生感应电动势是可能的。这种电动势可通过电化学测试得以验证，并同样被用来解释磁场提高光生电子-空穴分离效率的研究结论。
(4) 少数光催化剂的负磁阻效应有利于载流子向催化剂表面的反应位点迁移，促进载流子参与表面反应，提高光催化效率。在一些研究中，光电化学测量验证了负磁阻对光催化反应的影响。
将磁场引入光催化系统为光催化技术的大规模工业应用提供了新的可能性，特别是在能量转换和环境治理领域，而在未来发展和实际应用中依然面临一些列的挑战。
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