中科院北京納米能源所魏迪研究員、王中林院士/陜科大劉漢斌副教授JACS：通過氧還原反應揭示接觸電致化學Janus反應過程
2025-07-16 11:21:12
作者：本網發布 來源：高分子科學前沿
分享至：
氧還原反應（ORR）作為生物呼吸鏈的核心過程，通過兩電子途徑生成過氧化氫（H2O2）或四電子途徑生成水（H2O），在能量轉換與細胞信號傳導中扮演關鍵角色。近年來，王中林院士團隊提出了一種基于固-液/液-液接觸起電（Contact electrification, CE）過程中的電荷轉移直接催化化學反應的機制，并被命名為接觸電致催化（Contact-electro-catalysis, CEC）。利用該過程中的電子轉移和活性氧的生成，CEC被廣泛應用在二氧化碳還原、污染物降解、過氧化氫制備、氨合成及貴金屬回收等領域。在此背景下，中國科學院北京納米能源與系統研究所魏迪研究員團隊將CEC概念擴展為接觸電致化學（CE-Chemistry），利用CE過程中的電子轉移產生的自由基引發系列化學反應，包括聚合反應、氧化還原反應、熒光反應等。然而，現有的研究主要聚焦于單一反應路徑（氧化或還原反應），而未清晰闡明同一體系內接觸電致化學Janus兩面性現象背后的原理，導致氧化/還原反應發生的方向難以把控，如何清晰的界定這一反應方向實現精準控制目標反應進程尤為關鍵。近日，中科院北京納米能源所魏迪研究員、王中林院士研究團隊與陜西科技大學劉漢斌副教授團隊合作，魏迪研究員團隊提出標準電極電勢（SEP）閾值理論，為接觸電致化學體系中氧化/還原反應方向的判定提供了關鍵參考。具體而言，在接觸電致化學中對比不同金屬離子的SEP發現，當反應的SEP值介于2e? ORR（E0 = 0.695 V vs NHE）和4e? ORR（E0 = 1.229 V vs NHE）范圍內時，可觀測到Au, Pd, Pt, Ag, Rh和Ir金屬單質的生成，且在厭氧條件下金屬離子的還原量顯著高于有氧條件。當SEP低于0.695V時，Cu2+（E0 = 0.34 V vs NHE）和[Fe(CN)6]3-（E0 = 0.361 V vs NHE）的還原幾乎無法檢測，但氧化反應更易實現，如亞鐵氰化鉀氧化為鐵氰化鉀這一過程被成功實現。通過ORR揭示接觸電致化學中的Janus化學過程，為拓展其在各類催化和反應體系中的應用開辟了新途徑。該工作以題為“Unveiling Janus Chemical Processes in Contact-Electro-Chemistry through Oxygen Reduction Reactions”的論文發表在《Journal of the American Chemical Society》上。此外，該研究首次在水系和非水體系中通過CE實現甲醇氧化為甲醛這一反應。在非水體系DMSO中甲醛最高產率達19000 μmol g-1 h-1，是目前通過CEC方法產生甲醛的25倍，同時也高于部分光催化生成的甲醛產率。通過溶劑的靈活選擇不僅調控自由基的生成種類，對于增強化學合成也提供了顯著優勢。作者通過SEP首次統一了接觸電致化學中的氧化還原反應趨勢，揭示了2e? ORR在接觸電致化學過程中的關鍵作用。當反應的SEP值超過0.695 V時主要發生還原反應，而低于此閾值時還原反應傾向性顯著降低。通過ORR揭示接觸電致化學中的Janus過程，為拓展其在各類催化和反應體系中的應用開辟了新途徑。此外，該研究首先實現水系和非水系中通過接觸電致化學將甲醇氧化為甲醛。對非水溶劑的探索表明，其能有效緩解雙電層效應并調控自由基類型，從而提升反應效率。特別值得注意的是，以DMSO為溶劑時，在DMSO與甲醇的協同作用下HCHO產率達19000 μmol g-1h-1，這比已報道通過CEC法實現的甲醛產率高25倍。這一發現凸顯了溶劑選擇對優化反應效率的關鍵作用，并將接觸電致化學確立為化學反應的新范式，該工作為摩擦電荷調控化學過程提供了指導依據。劉漢斌，理學博士，副教授，碩士生導師，陜西省普通高校青年杰出人才支持計劃入選者。2014年6月在中國科學院成都有機化學研究所獲高分子化學與物理專業理學博士學位。2014年8月~2016年9月先后在新加坡南洋理工大學和加拿大皇后大學從事博士后研究。2016年10月入職陜西科技大學輕工科學與工程學院（柔性電子學院），現擔任柔性電子系主任。主要研究領域為生物質基柔性電子材料與器件，纖維素化學及功能高分子材料，在npj Flexible Electronics，Nano energy，ACS Applied Materials & Interfaces，ACS Sustainable Chemistry & Engineering等國際主流期刊發表SCI論文60余篇，申請發明專利12件，授權8件。主持國家自然科學基金、中國博士后科學基金、陜西省自然科學基礎研究及重點研發項目、陜西省留學回國人員科研活動擇優資助項目等科研項目10余項。王中林，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長兼首席科學家。他是中國科學院外籍院士、加拿大工程院國際院士、美國國家發明家科學院院士及歐洲工程院外籍院士，并于2009年當選中國科學院外籍院士，2018年當選中央研究院院士。作為納米科學與技術領域的開拓者和國際領軍人物，王教授以卓越的創新能力和豐碩的學術產出著稱。他累計撰寫及合作撰寫6部科學專著與教材，在《Nature》《Science》等頂級期刊發表2000余篇同行評審論文（其中83篇發表于《Nature》《Science》及其子刊），參與編寫45篇綜述及書籍章節，主編或合作編輯14部納米技術領域專著，并擁有60余項美國及國際專利。其谷歌學術引用次數超過49萬次，H指數高達333，學術影響力位居全球頂尖行列。魏迪，中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員，離子電子學(Iontronics)實驗室負責人，北京市政府特聘專家、首都科技領軍人才，歐洲科學與藝術院院士(MEASA)，歐洲科學院院士(FEurASc)，美國國家發明家科學院院士(FNAI)，英國皇家化學會會士(FRSC)，英國材料、礦物與礦業學會會士(FIMMM)。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.等國際期刊發表論文120余篇；擁有國際專利申請（含PCT）200余項、獲授權專利100余項，多項專利成功實現轉化，轉移給包括芬蘭諾基亞、美國Lyten等公司。聚焦納米技術在能源和傳感上的應用，在Wiley、劍橋大學等出版社出版英文專著6部。國際電化學協會(ISE) Brian Conway Prize得主，曾獲得過ISE與RSC等國際學術組織多項獎勵。團隊最新研究成果被中國工程院院士館科研進展、Cell出版社、麻省理工技術評論、DeepTech和美國物理學會(phys.org)等期刊和媒體報道。
免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。
