魏迪研究员首次提出接触电致化学（CE-Chemistry）概念
固-液界面在化学反应中具有举足轻重的作用，但界面的接触起电效应通常被忽视。已有研究表明接触起电可以催化降解有机污染物，然而，其在各种化学反应中的确切作用以及对反应过程的影响因素目前仍不清楚。近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所魏迪研究员与王中林院士团队提出了一种利用固体电介质和液体接触起电诱导调控化学反应的方法，并提出接触电致化学（CE-Chemistry）概念。该研究表明CE-Chemistry对于水性和非水性体系中发生的化学反应均具有普适性，例如氧化还原反应、有机聚合反应、污染物降解反应等等。此外，该研究通过权衡固-液接触起电中界面电子转移和离子吸附之间的关系，探究固-液接触起电界面双电层（EDL）形成对化学反应过程的影响，进而优化该化学反应过程。进一步地，该研究以物质的电子转移能力为标准，将金属功函数、接触起电电负性序列和电化学标准电极电位统一标准化，为调控和预测化学反应提供一种新的思路和方向。该研究内容不仅揭示了接触起电的物理化学现象，还为研究物理、化学和材料科学等跨学科的界面相互作用提供了新的范式。该成果以“A green approach to induce and steer chemical reactions using inert solid dielectrics”为题发表在近期的Nano Energy 期刊上。该文章第一作者是魏迪研究员团队的博士后李绍欣博士。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109286
1. 研究背景
绿色化学致力于利用可持续发展的方法在产生目的生成物的过程中充分利用原料及能源，减少有害物质的释放。机械化采用球磨机、行星磨反应器或双螺杆挤出机等机械方式激活或者降低反应活化能，可以有效减少引发剂的使用，进而改善反应过程伴随的污染问题。另外机械力诱导化学反应的有限效率可以通过向其体系中引入液体来大大提高。虽然该现象中的材料缺陷、局部高温/压力条件以及机械力效应引起的键断裂/形成在过去已经得到了广泛的研究，但是那些研究忽视了固-液界面中普遍存在的接触起电效应也可能对化学反应具有贡献作用。近年来，已有研究观察到一些具有极惰性化学活性的固体电介质，例如氟化乙烯丙烯（FEP）和聚四氟乙烯（PTFE），经过与其他材料接触起电后浸入水溶液中，其固体表面电荷可以还原溶液中的金属阳离子（例如Cu2+、Au+、Ag+、Pb+）。还有研究能够利用这类固体介电材料与水溶液的直接接触起电产生过氧化氢，降解有机污染物以及析出金属以回收锂电池。这表明接触起电效应在化学反应中具有重要作用，它不仅仅是简单的电子转移和离子吸附物理过程，还涉及自由基产生等一系列化学反应过程。同时，该物理过程中界面EDL形成对后续化学反应过程的影响还有待进一步探究。
2. 图文导读
图1.CE-Chemistry (a) 实验过程示意图。(b) 0.20 mM K4[Fe(CN)6]溶液与FEP薄膜经过超声前、后的对比照片。(c) 0.20 mM K4[Fe(CN)6]溶液与FEP薄膜超声不同时间的紫外-可见光谱变化趋势。(d) 0.20 mM K4[Fe(CN)6]溶液与FEP薄膜经过超声前（蓝色）、后（红色）的电化学循环伏安（CV）扫描曲线，其中实线和虚线分别代表扫描的第一个和第二个CV扫描周期。(e)不同固体介电材料与水溶液接触起电的电荷转移量。(f) 0.20 mM K4[Fe(CN)6]溶液与不同固体介电材料超声相同时间内生成物(K3[Fe(CN)6])的不同浓度。(g) 0.20 mM K4[Fe(CN)6]溶液与PTFE 粉末和PTFE 薄膜分别超声相同时间所表现出的紫外-可见光谱。(h) K4[Fe(CN)6]溶液中含（w）有和不含(w/o)叔丁醇，分别与FEP薄膜超声相同时间所表现出的产物生成速率。(i) 采用电子顺磁共振技术（EPR）检测FEP 薄膜与水超声不同时间内的自由基强度变化。(j) EPR技术检测不同固体介电材料与水超声相同时间所产生的自由基强度。(k) EPR技术检测FEP与水超声时所产生的单线态氧。 (l)固-液接触起电诱导 [Fe(CN)6]4-/[Fe(CN)6]3-氧化反应的工作机理。 (m) 采用PTFE磁子搅拌方法诱导 [Fe(CN)6]4-/[Fe(CN)6]3-氧化反应的紫外-可见光谱和照片，其中样品 A 是PTFE磁子静止于K4[Fe(CN)6]溶液中，样品B是PTFE磁子在K4[Fe(CN)6]溶液中搅拌，样品C是PTFE磁子和0.20g PTFE粉末在K4[Fe(CN)6]溶液中搅拌。
图 2. 有机反应中CE-Chemistry。(a) 0.50 M苯胺溶液与FEP薄膜在不同实验步骤中的照片。(b) 0.50 M苯胺溶液经过与FEP薄膜一起超声前、后的照片。(c)不同条件下苯胺溶液的紫外-可见光谱图，其中样品D代表0.50 M苯胺原始溶液，样品E代表经过超声后的苯胺溶液，样品F代表与FEP薄膜一起经过超声的苯胺溶液。 (d) 经过超声后FEP薄膜上的生成物照片、SEM 图以及 (e) 相应位置的拉曼光谱图。(f) CE-Chemistry诱导苯胺有机聚合反应的原理示意图。
图 3 固-液接触起电界面EDL形成对CE-Chemistry的影响。(a)FEP薄膜在不同浓度 KCl 溶液中的电荷转移量。 (b) 0.2mM K4[Fe(CN)6]与不同浓度 KCl 溶液与FEP薄膜超声相同时间后的产物浓度变化。 (c) 固-液接触起电诱导化学反应和界面EDL形成过程的示意图。(d)固-液界面接触起电电势与溶液离子浓度变化的理论模型。(e) FEP 接触起电表面电势和 (f) [Fe(CN)6]4- 离子浓度变化的理论计算值，其中蓝色箭头表示固-液接触起电过程中被氧化的[Fe(CN)6]4-量。
图 4. 利用固-液接触起电调控化学反应。(a)尼龙（PA）薄膜与水接触起电后的电荷转移特征。 (b) 0.20 mM K3[Fe(CN)6]溶液与PA 薄膜超声前、后的对比照片。(c) 0.20 mM K3[Fe(CN)6]溶液与FEP薄膜超声不同时间的紫外-可见光谱变化趋势。（d）0.20 mM K3[Fe(CN)6]溶液与PA 薄膜超声前（紫色线）、后（橙色线）CV 扫描曲线，实线和虚线分别是第一个和第二个 CV 扫描周期。(e)以电子转移能力为基础，被统一标准化的金属功函数、摩擦电负性序列和电化学标准电极电势。
3.文章总结
本研究工作提出了利用固-液接触起电诱导化学反应的新范式，该化学反应主要是由固-液接触起电过程中产生的自由基引发而形成的。本工作展现了CE-Chemistry在多种化学反应的普适性优势，例如 [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- 的接触电致氧化还原反应(CE-Redox)，苯胺的接触电致聚合反应（CE-Polymerization），苯酚的接触电致催化反应（CE-Catalysis）和对苯二甲酸的接触电致荧光反应（CE-Fluorescent）等。在水溶液中，该工作进一步研究了固体电介质和水溶液接触起电过程中电子转移和离子吸附之间的权衡关系，对其进行了理论建模，探究界面双电层形成对后续化学反应过程的影响，以优化水性体系中的 CE-Chemistry。此外，CE-Chemistry首次在非水体系中被验证可行性，进而表明其在除水溶液体系外的普遍性。非水系中，由于接触起电产生的离子含量少，固-液界面接触起电时的电子转移可能会诱导更多的自由基进而促进化学反应过程。固体电介质在接触起电时的电子接受/给予能力与其自身的电负性密切相关，电负性取决于其化学结构中原子的电子亲和力，类似于路易斯酸碱定律中的电子理论。通过与金属功函数和电化学电活性物质的标准电极电位结合在一起，该工作提出固体电介质在摩擦电序的电负性可以作为预测CE-Chemistry反应热力学的基准之一。因此，基于电子转移能力，该研究将金属功函数、摩擦电负性序列和电化学标准电极电势统一标准化，用以评估和调控化学反应。
该工作是魏迪教授近期关于接触电致化学（CE-Chemistry）的最新进展之一，将接触起电与化学过程相结合，提出CE-Chemistry新方法，用以研究固-液接触起电过程中的物理化学现象和原理。与光、热、电或化学试剂等引发的化学反应不同，CE-Chemistry为物理、材料科学和化学等多学科交叉领域研究界面相互作用提出一种新思路和新范式。魏迪教授课题组介绍请登录http://iontronics.group/。课题组长期招聘博士后和科研助理，有意者欢迎登录课题组网站联系。
1. 研究背景
绿色化学致力于利用可持续发展的方法在产生目的生成物的过程中充分利用原料及能源，减少有害物质的释放。机械化采用球磨机、行星磨反应器或双螺杆挤出机等机械方式激活或者降低反应活化能，可以有效减少引发剂的使用，进而改善反应过程伴随的污染问题。另外机械力诱导化学反应的有限效率可以通过向其体系中引入液体来大大提高。虽然该现象中的材料缺陷、局部高温/压力条件以及机械力效应引起的键断裂/形成在过去已经得到了广泛的研究，但是那些研究忽视了固-液界面中普遍存在的接触起电效应也可能对化学反应具有贡献作用。近年来，已有研究观察到一些具有极惰性化学活性的固体电介质，例如氟化乙烯丙烯（FEP）和聚四氟乙烯（PTFE），经过与其他材料接触起电后浸入水溶液中，其固体表面电荷可以还原溶液中的金属阳离子（例如Cu2+、Au+、Ag+、Pb+）。还有研究能够利用这类固体介电材料与水溶液的直接接触起电产生过氧化氢，降解有机污染物以及析出金属以回收锂电池。这表明接触起电效应在化学反应中具有重要作用，它不仅仅是简单的电子转移和离子吸附物理过程，还涉及自由基产生等一系列化学反应过程。同时，该物理过程中界面EDL形成对后续化学反应过程的影响还有待进一步探究。
2. 图文导读
3.文章总结
本研究工作提出了利用固-液接触起电诱导化学反应的新范式，该化学反应主要是由固-液接触起电过程中产生的自由基引发而形成的。本工作展现了CE-Chemistry在多种化学反应的普适性优势，例如 [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- 的接触电致氧化还原反应(CE-Redox)，苯胺的接触电致聚合反应（CE-Polymerization），苯酚的接触电致催化反应（CE-Catalysis）和对苯二甲酸的接触电致荧光反应（CE-Fluorescent）等。在水溶液中，该工作进一步研究了固体电介质和水溶液接触起电过程中电子转移和离子吸附之间的权衡关系，对其进行了理论建模，探究界面双电层形成对后续化学反应过程的影响，以优化水性体系中的 CE-Chemistry。此外，CE-Chemistry首次在非水体系中被验证可行性，进而表明其在除水溶液体系外的普遍性。非水系中，由于接触起电产生的离子含量少，固-液界面接触起电时的电子转移可能会诱导更多的自由基进而促进化学反应过程。固体电介质在接触起电时的电子接受/给予能力与其自身的电负性密切相关，电负性取决于其化学结构中原子的电子亲和力，类似于路易斯酸碱定律中的电子理论。通过与金属功函数和电化学电活性物质的标准电极电位结合在一起，该工作提出固体电介质在摩擦电序的电负性可以作为预测CE-Chemistry反应热力学的基准之一。因此，基于电子转移能力，该研究将金属功函数、摩擦电负性序列和电化学标准电极电势统一标准化，用以评估和调控化学反应。
该工作是魏迪教授近期关于接触电致化学（CE-Chemistry）的最新进展之一，将接触起电与化学过程相结合，提出CE-Chemistry新方法，用以研究固-液接触起电过程中的物理化学现象和原理。与光、热、电或化学试剂等引发的化学反应不同，CE-Chemistry为物理、材料科学和化学等多学科交叉领域研究界面相互作用提出一种新思路和新范式。魏迪教授课题组介绍请登录http://iontronics.group/。课题组长期招聘博士后和科研助理，有意者欢迎登录课题组网站联系。