【研究背景】

荷電 界面為引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，特別是與環(huán)境修復(fù)和能源轉(zhuǎn)化相關(guān)的催化過(guò)程，提供了一個(gè)極具前景的研究平臺(tái)。傳統(tǒng)的催化方法，如光催化和電催化，需依賴(lài)光、電壓等外部刺激，并通常要求使用具有窄帶隙或高密度表面活性位點(diǎn)的專(zhuān)用催化劑。近年來(lái)，基于固-液界面接觸起電（Contact Electrification, CE）過(guò)程中電荷轉(zhuǎn)移所直接驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)逐漸引起廣泛關(guān)注，該過(guò)程被定義為接觸電致催化（Contact-Electro-Catalysis, CEC）。在這一背景下，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所魏迪研究員團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出并拓展了“接觸電致化學(xué)”（contact-electro-chemistry，CE-Chemistry）這一新范式，利用CE過(guò)程中的電子轉(zhuǎn)移所誘發(fā)的自由基生成，實(shí)現(xiàn)了包括氧化還原反應(yīng)、聚合反應(yīng)、熒光調(diào)控及其他非水體系中的化學(xué)轉(zhuǎn)化。在接觸電致化學(xué)中，聚四氟乙烯（PTFE）和氟化乙烯丙烯（FEP）等含氟聚合物已成為常用介電材料，但其進(jìn)一步應(yīng)用仍面臨顯著瓶頸：如高回收難度及苛刻的處理?xiàng)l件、低表面活性與化學(xué)惰性導(dǎo)致的難以功能化等問(wèn)題，限制了其在特定反應(yīng)環(huán)境中的電子與結(jié)構(gòu)調(diào)控能力。因此，開(kāi)發(fā)兼具低成本、環(huán)境友好性、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，并具備高效界面電荷轉(zhuǎn)移能力的新型介電材料，對(duì)推動(dòng)接觸電致化學(xué)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

【文章簡(jiǎn)介】

近日，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所魏迪研究員團(tuán)隊(duì)、王中林院士團(tuán)隊(duì)等基于溫和自組裝氟化策略成功構(gòu)建了一種新型功能化介電材料F-Si。該材料在催化降解甲基橙和苯酚的反應(yīng)中表現(xiàn)出卓越性能，其降解速率較未改性硅粉和傳統(tǒng)FEP材料分別提升30倍和4倍，顯示出極高的催化活性。通過(guò)系統(tǒng)比較不同氟化策略，研究發(fā)現(xiàn)盡管采用piranha溶液預(yù)處理可提高表面氟密度，卻因引發(fā)顆粒團(tuán)聚導(dǎo)致活性下降，表明可控的表面氟化策略與材料形貌調(diào)控對(duì)維持高界面反應(yīng)性具有關(guān)鍵作用。此外，該研究首次實(shí)現(xiàn)了通過(guò)接觸電致化學(xué)將I-氧化為I3-的反應(yīng)過(guò)程。本研究采用的溫和自組裝氟化方法不僅顯著提升了催化效率，同時(shí)大幅降低了制備成本與含氟廢物的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了電阻率與表面化學(xué)性質(zhì)的協(xié)同調(diào)控，為構(gòu)建綠色、高效、可規(guī)?；慕佑|電致化學(xué)催化體系提供了新材料設(shè)計(jì)思路與可行的技術(shù)路徑。相關(guān)成果以題為“Sustainable Fluorinated Silicon Dielectric Design for Enhanced Contact-Electro-Chemistry”的論文發(fā)表于《

Angewandte Chemie International Edition

圖1. 通過(guò)接觸電致化學(xué)降解MO。

圖2. 硅粉氟化物的設(shè)計(jì)與表征。

圖3. 自由基在MO降解中的作用研究。

圖4. 通過(guò)接觸電致化學(xué)將I-氧化為I3-。

【總結(jié)】

該研究揭示了接觸電致化學(xué)的反應(yīng)活性受介電基底的電阻率、表面氟化策略與粒徑等多因素協(xié)同調(diào)控的內(nèi)在機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，低電阻率硅基材料可有效促進(jìn)界面電子轉(zhuǎn)移，進(jìn)而顯著增強(qiáng)催化反應(yīng)效能。采用溫和自組裝氟化策略構(gòu)建的氟化硅材料，在甲基橙和苯酚的催化降解反應(yīng)中表現(xiàn)突出，其降解速率較未改性硅粉和傳統(tǒng)FEP材料分別提升30倍和4倍，展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。此外，該研究首次實(shí)現(xiàn)了接觸電致化學(xué)驅(qū)動(dòng)下無(wú)貴金屬參與的碘離子氧化反應(yīng)，為綠色催化技術(shù)的發(fā)展提供了全新路徑。該工作系統(tǒng)闡明了表面工程與電荷傳輸在固液界面反應(yīng)中的關(guān)鍵作用，為解決高能耗、高成本催化過(guò)程提供了新思路，對(duì)推動(dòng)可持續(xù)能源轉(zhuǎn)換與污染控制技術(shù)具有重要科學(xué)價(jià)值與應(yīng)用潛力。

【課題組簡(jiǎn)介】

北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員魏迪是離子電子學(xué)(Iontronics)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，北京市政府特聘專(zhuān)家、首都科技領(lǐng)軍人才，歐洲科學(xué)與藝術(shù)院院士 (MEASA)，歐洲科學(xué)院院士 (FEurASc)，美國(guó)國(guó)家發(fā)明家科學(xué)院院士 (FNAI)，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士(FRSC)，英國(guó)材料、礦物與礦業(yè)學(xué)會(huì)會(huì)士 (FIMMM)，劍橋大學(xué)Wolfson學(xué)院高級(jí)研究員。目前，以通訊/第一作者在Nat. Energy, Nat. Commun., Sci. Adv., PNAS, Joule, Matter, Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Energ. Environ. Sci., Chem. Soc. Rev.等國(guó)際期刊發(fā)表論文130余篇；擁有國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)（含PCT）200余項(xiàng)、獲授權(quán)專(zhuān)利100余項(xiàng)，多項(xiàng)專(zhuān)利成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)移給包括芬蘭諾基亞、美國(guó)Lyten等公司。聚焦納米技術(shù)在能源和傳感上的應(yīng)用，在Wiley、劍橋大學(xué)等出版社出版英文專(zhuān)著6部。國(guó)際電化學(xué)協(xié)會(huì)(ISE) Brian Conway Prize得主，曾獲得過(guò)ISE與RSC等國(guó)際學(xué)術(shù)組織多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。團(tuán)隊(duì)最新研究成果被中國(guó)工程院院士館科研進(jìn)展、Cell出版社、麻省理工技術(shù)評(píng)論、DeepTech和美國(guó)物理學(xué)會(huì)(phys.org)等期刊和媒體報(bào)道。相關(guān)研究成果請(qǐng)登錄課題組網(wǎng)站：http://iontronics.group 課題組長(zhǎng)期招聘副研、助研和博士后及博士、碩士學(xué)生，有意者歡迎登錄課題組網(wǎng)站聯(lián)系。

文章信息

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202517059

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>