“接觸起電”帶來全新催化機(jī)制

中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)、 首席科學(xué)家和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》 上。

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)”， 這是由于不同的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、 酶和有機(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)就存在可能。

王中林與中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的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)即使所用的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)前后所用的顆?；瘜W(xué)成分不變， 這初步表明了接觸電致催化的可能性。

為了深入地理解上述現(xiàn)象， 研究團(tuán)隊(duì)開展了系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)。 基于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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)?；瘧?yīng)用前景。

接觸電致催化反應(yīng)更加“綠色”， 這得益于接觸電致催化對(duì)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(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)高效分離， 避免了對(duì)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)廣泛地存在于各類材料間， 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(guó)家戰(zhàn)略和國(guó)計(jì)民生問題的解決提供新原理和新思路。