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重大原创科学成果!王中林院士、唐伟研究员《自然·通讯》:接触电催化,一个新的催化领域!

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高分子科学前沿

2022-01-15 11:40

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机械化学(Mechanochemistry)被国际纯粹与应用化学联合会IUPAC视为十大改变世界的技术之一,其通常是基于剪切、磨擦、冲击、挤压等手段,对固体、液体等凝聚态物质施加机械能,诱导其结构及物理化学性质发生变化,从而诱发化学反应。然而,虽然在机械化学过程中经常发生接触和分离,但关于该过程中由接触起电产生的交换电荷的反应性却很少受到关注

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中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士唐伟研究员等人首次提出了一种独特的接触电催化机制,证明了在接触起电期间,在水和介电粉末界面处的交换电子可以通过接触电催化过程用于化学反应。作者通过在氟化乙烯丙烯(FEP)-水界面进行接触起电,发现引发的交换电子可促进活性氧的形成,从而降解甲基橙水溶液。作者不仅提出了一种可适用于Teflon、Nylon-6,6和橡胶等各种介电材料的接触电催化机制,还基于该原理提出了一种新型废水处理系统。该接触电催化概念是一种通过接触起电产生的交换电子进行化学反应的催化过程,代表了一种产生活性氧和处理难降解有机污染物的创新策略,为催化开辟了一个新领域。该研究以题为“Contact-electro-catalysis for the degradation of organic pollutants using pristine dielectric powders”的论文发表在《nature communications》上。

【接触电催化降解甲基橙】

作者将20 mg FEP粉末加入到50 mL甲基橙水溶液中(5 ppm),并以40 kHz的频率和120 W的功率进行超声处理。原始的浅黄色溶液在3 h后变为透明,作者通过液相色谱-质谱证实了甲基橙的完全降解。超声处理产生能够引起接触分离循环的空化气泡,并通过单电极摩擦纳米发电机的电输出在FEP表面上诱导和积累电荷。形貌和光谱表征证实,FEP粉末的物理和化学性质在降解后保持不变。尽管FEP对大多数化学物质呈惰性,但与水接触后FEP的表面电荷密度可达到50 μC/m 2左右,从而能够促进化学反应。此外,作者将该方法拓展到其他各种介电粉末中,如聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、尼龙 66和丁腈橡胶,都展现出了类似的接触电催化行为。

图1接触电催化降解甲基橙

图2接触电催化前后FEP粉末的表征

【接触电催化机理】

作者提出了接触电催化作为在FEP颗粒存在时降解甲基橙的机制。超声波在溶液中的传播引发了空化气泡的形成,气泡的破裂会在FEP-水界面处引起频繁的接触带电,从而产生电子交换,电子从水中转移到FEP。一旦气泡发生碰撞,封闭的O 2就会被释放并从FEP的带电表面捕获电子。因此,空化气泡的形成和坍塌不仅可以诱导接触分离循环,还可以促进接触起电过程中的电子转移。对于催化机理,一方面接触起电期间水和FEP之间的电子转移会产生水合氢阳离子和羟基自由基。另一方面,在FEP表面积累的电子被O 2捕获,形成·O 2-自由基,然后被质子化为氢过氧化氢(HO 2·),最后通过链式反应形成羟基自由基。在两个步骤结束时产生的羟基自由基与水溶液中的有机污染物发生反应,完成接触电催化过程。

图3接触电催化机理

【接触电催化的应用】

该接触电催化策略展现出了良好的循环稳定性,作者在将FEP粉末循环5次后,未观察到其对甲基橙降解性能的明显下降。由于接触起电现象的普遍存在,可以利用多种市售且廉价的聚合物材料来降解基于接触电催化的有机污染物,展现出了该策略的通用性。此外,这种催化策略也可以进一步拓展,用于更大的溶液体系。因此,作者基于接触电催化原理设计了一种新型废水处理系统,用于经济高效地处理有机废水。作者预计这种有前景的策略将成为化学工程、生物研究和与活性氧密切相关领域的应用带来新的机会。

图4基于接触电催化的新型废水处理系统

总结:作者首次提出并系统地研究了一种独特的催化原理,即接触电催化,其是通过由机械诱导的表面极化电子来催化化学反应。超声诱导的空化气泡不仅可以产生接触分离循环,还可以通过降低各种活性物质产生的能垒来促进电子转移。结果表明,在存在20 mg FEP粉末的情况下,超声处理3 h后,50 mL 5-ppm甲基橙水溶液可以完全降解。该工作为接触起电赋予了新的接触电催化能力,极大地丰富了催化机理的范畴,拓宽了催化剂的材料范围。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27789-1

来源:高分子科学前沿

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