Magneto-voltaic activity of single-atom iron on reduced graphene oxide for magneto-catalytic conversion of H2O2 into O2
Chieh-Wei Chung, Jyun-Yau Huang, Jing-Guan Liang, Linda Iffland, Loise Ann Dayao,
Dinesh Kumar Dhanthala Chittibabu, Chong-Chi Chi, Jeng-Lung Chen, Ting-Shan Chan,
Chi-Liang Chen, Ying-Rui Lu, Chieh-Cheng Huang, Ho-Hsiu Chou, Zong-Hong Lin,
Ying-Chieh Chen, Ming-Yen Lu, Hsin-Tsung Chen, Ulf-Peter Apfel, Yei-Chen Lai, Tsai-Te Lu
Chem. Sci. 2026, Advance Article
中原大學 化學系 陳欣聰教授
國立中興大學 化學系 賴奕丞助理教授
國立清華大學 生物醫學工程研究所 魯才德教授
除了熟知的熱、電與光等常見的物理能量，您是否想過運用其他物理能量來精準控制化學反應？這不僅是新的嘗試，更可能開啟化學能與該物理能量交互轉換的革命性路徑。在本研究中，我們成功開發了一套嶄新的磁催化（Magneto-catalysis）系統。該系統利用交流磁場（Alternating Magnetic Field, AMF）作為時變磁場來源，並由具導電性的還原氧化石墨烯（rGO）擔任關鍵的「磁敏劑（Magneto-sensitizer）」角色；負載於其上的單原子鐵（Single-atom Fe）則作為催化活性中心，成功實現了磁驅動雙氧水（H2O2）氧化以產生氧氣（O2）的反應。在深入的機制探討上，我們提出當施加交流磁場時，造成了磁敏劑內部的電子電洞分離，而被激發的電洞進一步氧化催化活性中心的Fe(III)，轉換為高價態的 Fe(IV)-oxo 活性物種，以催化雙氧水氧化並產生氧氣。為確切證實此一關鍵步驟，團隊運用Freeze-quench技術，凍結磁催化過程中的反應中間體，並結合同步輻射X光吸收光譜、垂直與平行模式的 EPR 光譜，以及 Mössbauer 等光譜技術，成功捕捉並證明了Fe(IV)-oxo 中間體的生成。我們亦同步運用了理論計算，除了支持此活性中間體的生成外，更提供了完整的磁催化反應路徑資訊。本研究首創「磁伏打」（Magneto-voltaic）概念與量測技術 ，並證實其可作為獨特的熱力學驅動力直接推動化學反應，在磁能轉換化學能的機制上取得了根本性突破。未來期望能運用於開發更多磁催化的化學反應，並拓展至能源及生醫等方面的應用。