中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長、首席科學(xué)家，中科院外籍院士王中林團(tuán)隊(duì)提出了全新的催化機(jī)制“接觸電致催化”。該機(jī)制利用材料間接觸起電(摩擦起電)引起的電子轉(zhuǎn)移作為催化反應(yīng)的核心，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，將推動(dòng)化學(xué)、能源等工業(yè)朝著低碳化發(fā)展。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然—通訊》。
閃電、玻璃棒摩擦后吸紙屑……這些現(xiàn)象在科學(xué)上被稱為“接觸起電效應(yīng)”，這是由于不同物體在接觸之后表面誘導(dǎo)產(chǎn)生極化電荷所致。近年來，王中林團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)接觸起電中存在電子轉(zhuǎn)移的貢獻(xiàn)，甚至在部分情形下電子轉(zhuǎn)移是接觸起電的主要機(jī)制。
回顧催化劑的工作原理，其核心是通過生成活性中間體等方式降低反應(yīng)活化能，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行。那么，是否存在除金屬基催化劑、酶以及有機(jī)小分子之外的第四種催化劑呢?王中林介紹，既然電子轉(zhuǎn)移存在于接觸起電過程中，同時(shí)電子轉(zhuǎn)移又可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，那么，利用接觸起電過程中的電子轉(zhuǎn)移直接催化化學(xué)反應(yīng)存在可能。
王中林與中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員唐偉利用超聲空化作用在顆粒表面引入接觸起電過程，發(fā)現(xiàn)即使所用顆粒為具有高度化學(xué)惰性的全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)也能實(shí)現(xiàn)甲基橙污水的降解，且反應(yīng)前后所用顆?；瘜W(xué)成分不變，這初步表明了接觸電致催化的可能性。
為了深入理解上述現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)開展了系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)?；趯?shí)驗(yàn)觀測結(jié)果與FEP的理化性質(zhì)，團(tuán)隊(duì)提出了全新催化機(jī)制——接觸電致催化，即利用接觸起電過程中的電子轉(zhuǎn)移直接催化化學(xué)反應(yīng)。
不同于電催化或光催化，接觸電致催化非常“便利”，只要材料能夠接觸起電就可能實(shí)現(xiàn)催化反應(yīng)，因此，這極大地拓寬了催化劑的遴選范圍，提供了更為豐富的催化體系設(shè)計(jì)可能。此外，相比于紫外光照、電能輸入等方式?jīng)Q定局部反應(yīng)效果，接觸電致催化的反應(yīng)范圍更加全域化，具有規(guī)模化應(yīng)用前景。
接觸電致催化反應(yīng)更“綠色”，得益于接觸電致催化對催化劑的選擇幾乎無限制，因此可以選用大量環(huán)境友好的材料進(jìn)行催化，并且這些催化劑與底物能夠通過簡單的方式實(shí)現(xiàn)高效分離，避免了對環(huán)境的二次污染。這些催化劑還能夠反復(fù)回收使用。
接觸起電效應(yīng)廣泛存在于各類材料間，因此，接觸電致催化將引領(lǐng)前沿催化研究，為碳中和、新能源等一系列國家戰(zhàn)略和國計(jì)民生問題的解決提供新原理和新思路。(韓揚(yáng)眉)
關(guān)鍵詞： 接觸起電 全新催化機(jī)制 接觸電致催化 摩擦起電
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