在当今追求高能效、小型化电子器件的时代，如何用微小的能量精准控制材料的磁性，是一个充满挑战的前沿课题。磁离子效应（Magneto-ionics）作为一种新兴方案，通过施加电压驱动离子（如氧离子）进出材料，从而改变其磁性，具有非易失性、低能耗和室温操作等优点，被视为未来磁存储、传感器和神经形态计算等领域的潜在技术基石。钴（Co）是研究最广泛的磁离子材料，通过电压控制其氧化物与金属态之间的可逆转变，可以实现磁性的“开”和“关”。然而，这条主流技术路径存在两大瓶颈：其一，氧化还原反应通常只发生在材料表面极薄的区域，导致整体磁性变化有限；其二，反应过程相对缓慢，难以实现快速响应。
与此同时，另一种基于氢离子的磁离子效应在钯（Pd）基材料中备受关注。钯像一块海绵，可以高效地吸收和释放氢原子，这个过程会显著改变其电子结构，进而影响与之复合的磁性材料（如钴）的磁性能。但以往的研究中，基于氧和基于氢的这两种效应通常在材料或体系中是分离的。能否在同一块材料中，同时驾驭氧和氢这两种不同的“离子遥控器”，实现更丰富、更快速的磁性调控呢？这不仅是科学上的有趣探索，也意味着我们能通过“双通道”控制，为磁电器件设计带来前所未有的灵活性。
为了解决上述问题，一个由研究人员组成的团队在《ACS Materials Au》上发表了一项创新性研究。他们不再使用传统的纯钴薄膜或钯/钴多层结构，而是将目光投向了一种特殊的合金——纳米多孔钯钴合金。他们设想，如果能把亲氧的钴和亲氢的钯均匀地混合在一种具有巨大表面积的多孔结构中，那么电解液就能充分浸润材料的每一个角落，同时激活基于氧和基于氢的两种电化学反应，从而实现强大的“双离子”磁离子效应。
为了验证这一想法，研究人员开展了一系列精细的实验。他们首先通过脱合金（dealloying）方法，以前驱体合金Al80(Pd75Co25)20为原料，成功制备出了具有约10纳米孔径的纳米多孔Pd75Co25合金样品。研究的关键在于将电化学测量与磁性表征在原子尺度上关联起来。他们主要运用了以下几种关键技术方法：1. 材料制备与表征：采用电弧熔炼和脱合金技术制备纳米多孔合金，并利用扫描透射电子显微镜（STEM）、X射线衍射（XRD）和能量色散X射线光谱（EDS）对其纳米多孔结构、元素分布和物相组成进行系统表征。2. 原位磁电化学测量：这是本研究的核心，研究人员自主设计并构建了可在超导量子干涉仪（SQUID）磁强计内工作的原位电化学池，实现了在施加不同电压（进行循环伏安法CV或电位阶跃实验）的同时，实时、同步监测样品磁化强度的变化。3. 对比与机理分析：通过对比纳米多孔纯Pd和纯Co的电化学行为，以及对样品施加包含电位保持步骤的复杂电化学程序，清晰地区分并证实了氧相关和氢相关反应各自对磁化强度变化的贡献。
研究结果
结构、元素与初始磁态分析
表征结果显示，成功制备的样品主体为纳米多孔Pd-Co合金相，其Co/Pd原子比接近名义配比3:1，同时存在少量富钴的非多孔相。XRD证实了合金相以及Co(OH)2和CoOOH等钴（羟基）氧化物的存在。初始磁化曲线和零场冷却/场冷却（ZFC/FC）测量表明，样品在初始（氧化）状态下仅呈现微弱的超顺磁性信号，相当于磁性的“关”态。
电化学行为
循环伏安法研究表明，纳米多孔Pd75Co25的CV曲线同时包含了来自Pd组分（氢的吸附/脱附与吸收/解吸）和Co组分（Co的氧化/还原）的特征电流峰。这表明在负电位下，氢的吸收与钴（羟基）氧化物的还原会同时发生。
基于Co（羟基）氧化物还原/形成的主要磁离子效应
原位磁电化学测量展示了惊人的磁性开关现象。当电压扫描至负电位区域时，样品的磁化强度从初始的~0.4 emu g-1开始大幅上升，在一个完整的CV循环中最高可达11.9 emu g-1。在磁化强度最大时记录的磁化曲线显示出明显的铁磁滞回线，证实了“开”态。当电压回扫至正电位，磁化强度在Co氧化峰出现时迅速下降，恢复至初始的弱磁状态，完成“关”态切换。通过在不同电位下测量磁化曲线，直接观测到了在铁磁“开”态和弱磁“关”态之间的可逆切换。这些变化与Co氧化/还原峰的电位高度吻合，表明这种巨大的磁性变化主要源于钴（羟基）氧化物的形成与还原，即基于氧离子的磁离子效应。
氢吸收/脱附的附加影响
为了分离重叠的反应，研究人员设计了包含电位保持步骤的实验。结果显示，即使在氢吸收完成后，在恒定的负电位下保持，磁化强度仍会因Co的持续还原而继续增加，这再次证明主要效应是Co的还原。然而，仔细分析数据发现，在阳极扫描初期，磁化强度在Co还原速率减慢时，出现了一个额外的加速上升阶段。此外，在从负电位跳跃到正电位（0 V）的瞬间，磁化强度会先有一个短暂的、秒级的微小跃升，然后才因Co的氧化而下降。这些现象与文献中报道的氢从Pd-Co合金中脱附会导致磁化强度增加的结果一致。因此，尽管氢效应的幅度被更强的Co氧化还原效应所掩盖，但研究证实纳米多孔Pd75Co25中确实存在基于氢的磁离子效应：氢吸收降低磁化强度，氢脱附增加磁化强度。
磁离子效应的动力学
通过电位阶跃实验量化了磁性变化的速率。结果表明，施加更负的电位可以更快、更大幅度地增加磁化强度。从“开”态跳回“关”态（0 V）的过程可在几分钟内完成。特别值得注意的是，在跳变到0 V后的最初几秒内观察到的磁化强度短暂上升，揭示了氢脱附过程非常快，发生在秒级时间尺度上，远快于需要数分钟的钴氧化还原过程。
研究结论与意义
本研究成功在纳米多孔Pd75Co25合金中实现了快速、可逆的磁性开关，其绝对磁矩变化可达0.01 emu量级，这在宏观样品中具有重要意义。研究工作首次明确证实，在同一合金材料中，于室温下可同时存在基于氧离子和氢离子的“双离子”磁离子效应。其中，基于钴（羟基）氧化物还原/形成（氧离子）的效应是产生大幅磁性开关的主要原因；而基于氢吸收/脱附的效应虽然较弱，但响应速度更快（秒级）。
这项研究的突破性意义在于“可调谐的设计自由度”。它证明，通过调整Pd-Co合金中亲氧的Co和亲氢的Pd的比例，理论上可以像调节旋钮一样，定制材料的磁离子响应特性：增加Pd含量可能增强氢效应，而增加Co含量可能强化氧效应。考虑到两种效应在变化幅度和响应速度上的差异，这种可设计性为创造具有复杂时间响应特性的磁离子材料铺平了道路，例如，可用于模拟生物神经元不同时间尺度的脉冲行为，在神经形态计算硬件领域展现出独特的应用潜力。总之，该工作不仅报道了一种高性能的磁离子材料，更重要的是开辟了一条通过多元合金成分设计来工程化磁离子功能的新研究路径。
