中科院北京纳米能源所魏迪研究员、王中林院士/陕科大刘汉斌副教授JACS：通过氧还原反应揭示接触电致化学Janus反应过程
2025-07-16 11:21:12
作者：本网发布 来源：高分子科学前沿
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氧还原反应（ORR）作为生物呼吸链的核心过程，通过两电子途径生成过氧化氢（H2O2）或四电子途径生成水（H2O），在能量转换与细胞信号传导中扮演关键角色。近年来，王中林院士团队提出了一种基于固-液/液-液接触起电（Contact electrification, CE）过程中的电荷转移直接催化化学反应的机制，并被命名为接触电致催化（Contact-electro-catalysis, CEC）。利用该过程中的电子转移和活性氧的生成，CEC被广泛应用在二氧化碳还原、污染物降解、过氧化氢制备、氨合成及贵金属回收等领域。在此背景下，中国科学院北京纳米能源与系统研究所魏迪研究员团队将CEC概念扩展为接触电致化学（CE-Chemistry），利用CE过程中的电子转移产生的自由基引发系列化学反应，包括聚合反应、氧化还原反应、荧光反应等。然而，现有的研究主要聚焦于单一反应路径（氧化或还原反应），而未清晰阐明同一体系内接触电致化学Janus两面性现象背后的原理，导致氧化/还原反应发生的方向难以把控，如何清晰的界定这一反应方向实现精准控制目标反应进程尤为关键。近日，中科院北京纳米能源所魏迪研究员、王中林院士研究团队与陕西科技大学刘汉斌副教授团队合作，魏迪研究员团队提出标准电极电势（SEP）阈值理论，为接触电致化学体系中氧化/还原反应方向的判定提供了关键参考。具体而言，在接触电致化学中对比不同金属离子的SEP发现，当反应的SEP值介于2e⁻ ORR（E0 = 0.695 V vs NHE）和4e⁻ ORR（E0 = 1.229 V vs NHE）范围内时，可观测到Au, Pd, Pt, Ag, Rh和Ir金属单质的生成，且在厌氧条件下金属离子的还原量显著高于有氧条件。当SEP低于0.695V时，Cu2+（E0 = 0.34 V vs NHE）和[Fe(CN)6]3-（E0 = 0.361 V vs NHE）的还原几乎无法检测，但氧化反应更易实现，如亚铁氰化钾氧化为铁氰化钾这一过程被成功实现。通过ORR揭示接触电致化学中的Janus化学过程，为拓展其在各类催化和反应体系中的应用开辟了新途径。该工作以题为“Unveiling Janus Chemical Processes in Contact-Electro-Chemistry through Oxygen Reduction Reactions”的论文发表在《Journal of the American Chemical Society》上。此外，该研究首次在水系和非水体系中通过CE实现甲醇氧化为甲醛这一反应。在非水体系DMSO中甲醛最高产率达19000 μmol g-1 h-1，是目前通过CEC方法产生甲醛的25倍，同时也高于部分光催化生成的甲醛产率。通过溶剂的灵活选择不仅调控自由基的生成种类，对于增强化学合成也提供了显著优势。作者通过SEP首次统一了接触电致化学中的氧化还原反应趋势，揭示了2e⁻ ORR在接触电致化学过程中的关键作用。当反应的SEP值超过0.695 V时主要发生还原反应，而低于此阈值时还原反应倾向性显著降低。通过ORR揭示接触电致化学中的Janus过程，为拓展其在各类催化和反应体系中的应用开辟了新途径。此外，该研究首先实现水系和非水系中通过接触电致化学将甲醇氧化为甲醛。对非水溶剂的探索表明，其能有效缓解双电层效应并调控自由基类型，从而提升反应效率。特别值得注意的是，以DMSO为溶剂时，在DMSO与甲醇的协同作用下HCHO产率达19000 μmol g-1h-1，这比已报道通过CEC法实现的甲醛产率高25倍。这一发现凸显了溶剂选择对优化反应效率的关键作用，并将接触电致化学确立为化学反应的新范式，该工作为摩擦电荷调控化学过程提供了指导依据。刘汉斌，理学博士，副教授，硕士生导师，陕西省普通高校青年杰出人才支持计划入选者。2014年6月在中国科学院成都有机化学研究所获高分子化学与物理专业理学博士学位。2014年8月~2016年9月先后在新加坡南洋理工大学和加拿大皇后大学从事博士后研究。2016年10月入职陕西科技大学轻工科学与工程学院（柔性电子学院），现担任柔性电子系主任。主要研究领域为生物质基柔性电子材料与器件，纤维素化学及功能高分子材料，在npj Flexible Electronics，Nano energy，ACS Applied Materials & Interfaces，ACS Sustainable Chemistry & Engineering等国际主流期刊发表SCI论文60余篇，申请发明专利12件，授权8件。主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、陕西省自然科学基础研究及重点研发项目、陕西省留学回国人员科研活动择优资助项目等科研项目10余项。王中林，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长兼首席科学家。他是中国科学院外籍院士、加拿大工程院国际院士、美国国家发明家科学院院士及欧洲工程院外籍院士，并于2009年当选中国科学院外籍院士，2018年当选中央研究院院士。作为纳米科学与技术领域的开拓者和国际领军人物，王教授以卓越的创新能力和丰硕的学术产出著称。他累计撰写及合作撰写6部科学专著与教材，在《Nature》《Science》等顶级期刊发表2000余篇同行评审论文（其中83篇发表于《Nature》《Science》及其子刊），参与编写45篇综述及书籍章节，主编或合作编辑14部纳米技术领域专著，并拥有60余项美国及国际专利。其谷歌学术引用次数超过49万次，H指数高达333，学术影响力位居全球顶尖行列。魏迪，中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员，离子电子学(Iontronics)实验室负责人，北京市政府特聘专家、首都科技领军人才，欧洲科学与艺术院院士(MEASA)，欧洲科学院院士(FEurASc)，美国国家发明家科学院院士(FNAI)，英国皇家化学会会士(FRSC)，英国材料、矿物与矿业学会会士(FIMMM)。目前，以通讯/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.等国际期刊发表论文120余篇；拥有国际专利申请（含PCT）200余项、获授权专利100余项，多项专利成功实现转化，转移给包括芬兰诺基亚、美国Lyten等公司。聚焦纳米技术在能源和传感上的应用，在Wiley、剑桥大学等出版社出版英文专著6部。国际电化学协会(ISE) Brian Conway Prize得主，曾获得过ISE与RSC等国际学术组织多项奖励。团队最新研究成果被中国工程院院士馆科研进展、Cell出版社、麻省理工技术评论、DeepTech和美国物理学会(phys.org)等期刊和媒体报道。
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