机械化学作为一门跨学科领域，被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）在2019年评为全球十大变革性技术之一。机械化学不仅推动了更加绿色的化学反应手段，同时揭示了超越传统化学方法的新途径。然而，机械化学条件的局部性和不均匀性，包括压缩、剪切、冲击和拉伸等极端条件，限制了反应效率。基于压电效应的压电化学是提高传统机械化学反应效率的方法之一，被广泛应用于自由基环化、三氟甲基化以及芳基化和硼化反应等。然而，其常用的压电材料如钛酸钡和锆钛酸铅等，因含铅元素而存在环境危害，且这些材料往往易碎不易回收利用。接触起电（CE）效应产生的摩擦电荷，通过电子转移过程在材料表面形成相对稳定的电场和自由基，近年来展现出催化化学反应的显著潜力。在两种表面接触时，CE效应产生的界面摩擦电荷通常高于压电效应产生的内部极化电荷，并且摩擦电材料种类多样。因此，CE效应在接触电致催化（CEC）领域受到广泛关注，已应用于甲基橙降解、低成本合成过氧化氢，甚至可持续回收废弃锂离子电池中的金属资源。CEC可以由多种固体介电材料引发，但目前反应溶剂选择通常局限于去离子（DI）水溶液，而水分子失去电子后产生的离子将在固液界面形成紧密的双电层屏蔽，阻碍固液界面的后续电子转移，从而降低反应效率。
鉴于此，中科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进一步将CEC的应用拓展至非水溶剂及多种化学反应，包括氧化还原反应、聚合反应和荧光反应。此外，基于电子转移能力，魏迪研究员团队开创性地提出了“接触起电-化学（CE-Chemistry）”概念，即在固-液界面上发生的电子转移可以产生自由基，并引发系列化学反应。本文在非水环境中首次应用CE-Chemistry，并且以苯酚催化降解和鲁米诺荧光为例，对比研究了不同溶剂（包括DI水和非水溶剂）对固液界面电子转移和化学反应的影响。首先通过密度泛函理论（DFT）模拟和实验揭示了CE在不同溶剂中的电子转移能力和化学选择性。其次利用特定有机溶剂中固液CE产生离子含量极少的特点，降低了CE形成双电层离子屏蔽阻碍后续电子转移的风险。实验结果显示，氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）与二甲基亚砜（DMSO）通过CE效应降解苯酚的速率较传统机械化学方法提升40倍以上；相较于FEP与DI水体系，CE效应降解苯酚的速率也提高了30倍。此外，这一体系有效解决了水系环境中苯酚降解不完全的问题，进一步突显了非水溶剂体系在CE-Chemistry中的显著优势。这一反应效率的显著提升可能归因于FEP与DMSO之间优异的CE特性，以及DMSO中较低的离子生成倾向，避免了双电层离子屏蔽的形成，从而抑制了不利的反应干扰。本研究通过优化CE-Chemistry的反应条件，实现了对化学反应路径的控制，例如苯酚在不同溶剂中的降解产物表现出显著差异。此外，通过对CE-Chemistry中不同摩擦序列材料的选择实现了对自由基的控制，进一步推动了对鲁米诺发光反应机制的探索，避免了传统方法中对过氧化氢或氧化酶的依赖，并有效减少了副反应的发生。这一进展拓展了CE-Chemistry在长效监测和传感应用中的潜力。本研究进一步深化了对溶剂效应在固液CE机制及CE-Chemistry反应机制中的作用的理解，为实现高效、可控的非传统化学反应开辟了新路径。未来，CE-Chemistry可通过调节固体介电材料与不同液体界面间的电子转移，促进界面限域的化学反应，模拟生物信号传导（如神经递质的合成和传递），为反应动力学研究提供强有力的工具。
图 1. 不同固-液界面电子转移量的理论模拟和不同机械化学反应效率对比。
图 2. 基于CE-Chemistry降解苯酚的反应效率研究。
图 3. 分析CE-Chemistry中产生的自由基和反应产物。图 4. CE-Chemistry在不同溶剂中的反应机理。图 5. CE-Chemistry实现了通过改变物理参数调控化学反应，并具有广泛的应用前景。FEP与不同溶剂之间CE生成的摩擦电荷可诱导产生不同的自由基，进而引发不同的化学反应。这一特点突显了CE-Chemistry作为机械化学新兴领域的独特优势，并展示了其调控化学反应的能力。FEP-DMSO和FEP-DI水体系在CE-Chemistry中的显著差异，可能源于溶剂的电子转移能力和界面双电层形成的差异，反映了DMSO和DI水在失电子后形成双电层方面的不同特性。利用非水溶剂减弱双电层的屏蔽效应，是提升反应效率的关键方法。实验结果显示，FEP-DI水体系在46小时内仅降解了1mM苯酚的40%，而FEP-DMSO体系则在4小时内实现其完全降解，且降解效率提升了30倍以上。此外，不同分子结构的溶剂能够生成不同自由基，进而形成具有多样官能团的产物，突破了水体系中仅能生成两类主要自由基的限制，实现了通过选择溶剂调节反应的独特优势。重要的是，FEP-DMSO体系在无需传统氧化剂或副反应的情况下，实现了鲁米诺的氧化，并增强了其长达3个月的发光效果，为长期监测或传感应用提供了广阔前景。本研究扩展了机械化学的方法，提出了一种有效的化学反应选择性调控策略，加深了对溶剂效应对固-液CE机制影响的理解，为通过CE-Chemistry实现非传统、高效且可控的化学反应奠定了基础。该方法不仅提供了对反应动力学的深入见解，还为未来可调控且环保的化学反应研究开辟了新的方向。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，英国皇家化学会会士(FRSC)，英国材料、矿物与矿业学会会士 (FIMMM)，剑桥大学Wolfson学院高级研究员。目前，以通讯/第一作者在Nat. Energy, Nat. Commun., Sci. Adv., PNAS, 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100余篇；拥有国际专利申请（含PCT）200余项、获授权专利95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4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。该工作是魏迪教授近期关于CE-Chemistry的最新进展之一，首次将CE-Chemistry引入非水溶剂中，利用FEP和各种溶剂之间CE产生的摩擦电荷促进了各种化学反应，突出了CE-Chemistry在推进机械化学领域的功效和多功能性，同时也证明了其调节化学反应选择性的能力。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。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
