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王中林/唐偉Nature子刊：球磨摩擦電性材料觸發接觸電催化，實現有效生產活性氧物種

由于機械力化學在觸發/促進化學反應方面的獨特性，近年來它已成為一個研究熱點。在各種機械化學策略中，球磨以其多功能性，可擴展性和高效率而脫穎而出，并已廣泛應用于氧化還原反應、機械合金化和材料合成。常規球磨過程中底物的激活通常依賴于外部機械攪拌下的力誘導效應、缺陷增加或局部極端條件，因此硬質材料被廣泛用于球磨。此外，即使在低轉速下，球磨過程也會引起頻繁的碰撞，這能夠通過使用摩擦電性材料誘發快速接觸帶電(CE)現象。接觸電催化(CEC)已被提出來描述由CE驅動的界面電子轉移促進的催化過程。

在以前的研究中，超聲波被用來啟動CEC，而球磨可以直接提供頻繁的接觸-分離循環，機械能可以直接輸送到底物。因此，預計這種摩擦電性材料及其衍生的CEC可能會開辟一個球磨輔助機械力化學新領域。

近日，中國科學院北京納米能源所王中林和唐偉等以一個典型的液體輔助研磨(LAG)過程為例，證明了摩擦電材料的存在可以催化活性氧物種(ROS)的產生。為了明確地研究CE的貢獻，LAG裝置由聚合物制成，例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚丙烯(PP)，它們很少被用作催化劑。

研究人員認為，研磨過程中頻繁的碰撞所帶來的CE可以驅動聚合物與周圍基質(例如H₂O或O₂)之間的電子交換，從而催化活性氧的形成。結果表明，具有高CE性能的PTFE表現出最高的活性，其次是PDMS，而PP幾乎不帶電，產生的活性氧量可以忽略不計。這些聚合物在產生ROS和CE方面性能的一致性表明了CEC的主導作用。

進一步的研究表明，研磨過程不僅提供了頻繁的碰撞來觸發CE，而且還提供物理沖擊，通過增加電子波函數的重疊和激發聲子為電子躍遷提供能量來促進CE驅動的電子轉移。此外，研究人員通過降解甲基橙(MO)驗證CEC產生的ROS的反應性，其中50mL 5 ppm MO水溶液在PTFE中以每分鐘350轉(RPM)研磨120分鐘后完全降解。

綜上，研究人員認為摩擦電性材料可以充分利用研磨過程中自然發生的碰撞，而由此衍生的接觸電催化可以降低促進反應所需的能量輸入，有助于構建機械化學裝置和豐富可應用于機械化學催化的催化機制的種類，從而使機械力化學可以得到更大的擴展。

A contact-electro-catalysis process for producing reactive oxygen species by ball milling of triboelectric materials. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-45041-4

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