综述：新兴的接触电催化技术在绿色化学中的应用

《Materials Today Energy》：Emerging Contact-Electro-Catalysis for Green Chemistry

接触电催化（CEC）通过界面电荷转移直接高效转化机械能至化学能，本文系统综述表面工程策略（缺陷钝化、功能化修饰、分区设计）优化CEC性能的机制，并总结其在H2O2合成、污染物降解及CO2还原中的应用，提出机理研究不足及未来发展方向。

　　

徐俊尧|葛浩宇|季志超|胡新源|陈建梅|王龙璐

南京邮电大学（NJUPT）电子光学工程学院与柔性电子学院（未来技术方向）

摘要

接触电催化（CEC）是一种新兴的催化技术，它直接利用接触电化产生的电荷。CEC的一个显著优势在于在轻微机械搅拌下仍具有高效率，这得益于直接的界面电子转移。本文综述了提高CEC性能的表面工程策略的最新进展，包括缺陷钝化、表面功能化以及分隔式设计。此外，还系统地阐述了其代表性应用，如过氧化氢的生产、污染物降解和二氧化碳（CO₂）还原。同时，我们指出了当前研究中的分歧点及潜在解决方案，以澄清机理并提升催化效果。最后，我们探讨了CEC如何将无处不在的机械能直接转化为化学能，从而为减少碳足迹和缓解传统催化方法无法解决的能源危机开辟了新的途径。

引言

受普遍存在的摩擦电现象启发，王等人于2022年提出了接触电催化（CEC）这一突破性概念。[1]通过直接利用界面接触引起的电子转移，CEC能够将环境中的机械能转化为化学驱动力，为减少对化石燃料的依赖提供了一种方法。与传统催化剂不同，CEC在超声等温和的机械刺激下运行，从而引发频繁的接触-分离循环，降低了氧化还原反应的能量障碍。[2]由于CEC依赖于直接电子转移而非外部电荷预激活，因此能够在重复循环中保持稳定的性能。[3],[4],[5],[6] 关于CEC的机理基础，可分为三个步骤：CEC的启动、电子转移以及初级自由基的产生。CEC可以通过多种机械方法激活，包括超声空化、球磨、薄膜-液滴相互作用以及纳米发电机驱动的旋转。[7],[8],[9],[10],[11]接触电催化不仅降低了能耗，还拓宽了催化剂材料的选择范围，同时保持了良好的环境适应性和操作简便性。

本文总结了接触电催化表面改性策略的一些最新进展，强调了催化剂表面工程在提升性能中的关键作用。[12],[13]李等人通过接枝功能团对缺陷进行钝化，显著提高了电子迁移率和催化效率。[14]随后介绍了一种新型的基于氟化硅（F-Si）的接触电催化剂。这种材料利用氟原子的低电阻率和强电子抽取能力，显著增强了电子转移效率。[15]同时，Janus聚合物/金属复合材料也被开发出来，结合了聚合物表面和金属表面的协同功能，以增强氧化还原动力学。（“·OH”表示在体相中自由扩散的羟基自由基，而“*OH”特指吸附在催化界面上的羟基物种。）总体而言，缺陷钝化、表面氟化和Janus金属-聚合物集成表明，有针对性的表面改性显著提升了电子转移和催化性能。这些策略展示了表面工程和电子动力学在固液界面反应中的重要性，为先进催化材料设计的研究开辟了新方向。此外，本文还探讨了一些潜在的CEC应用。通过CEC生成过氧化氢（H₂O₂）是该领域的一个重要研究方向，最初由赵等人提出。[16]该方法主要利用CEC反应在聚合物-水界面产生的·OH，以及通过ORR途径产生的过氧自由基，进而通过一系列链式反应生成H₂O₂。[17],[18],[19]在H₂O₂合成优化方面，这项工作扩展到了厌氧条件下的研究，并开发了连续流动催化模型，从而在反应条件和实际应用性方面取得了进展。接触电催化也被证明是降解有机污染物的有效方法。[20],[21],[22]此外，CEC在二氧化碳（CO₂）转化方面也展现出巨大潜力。[23],[24]王等人开发了一种双功能膜系统，由季铵化纤维素纳米纤维（CNF）和PVDF支撑的聚碳氮化物框架组成，其中嵌入了单个铜原子（Cu-PCN），共同提升了CO₂的捕获和转化效率。[25>除了上述应用外，CEC还在一些前沿领域得到了探索，如材料科学等。[26],[27],[28],[29]这些新颖的CEC应用将为缓解能源危机和推动绿色化学发展做出重要贡献。

本文对接触电催化进行了全面分析，重点关注其基本原理、当前应用以及催化剂表面改性的策略，旨在为读者提供对该领域最新进展的深入理解。除了实验室规模的成果外，我们还提出了可行的模型和实际建议，以推动CEC技术在工业生产中的规模化应用，强调其在缓解全球能源危机和推动可持续发展目标方面的巨大潜力。

除了总结最新进展外，本文还试图构建一个连贯的研究框架，以指导接触电催化（CEC）的未来发展。该框架基于三个相互关联的方面：首先强调合理的材料选择，特别关注适当的电子亲和力和足够的机械强度，以确保有效的界面电荷转移；其次从界面工程的角度讨论性能优化，其中有意的设计表面改性和复合结构对调节催化路径和提高整体效率起着决定性作用；最后通过整合多种实验和分析方法来阐明接触界面发生的瞬态和动态过程。

因此，本文的结构遵循这一概念进展。我们首先介绍CEC的基本原理，然后探讨用于性能优化的界面驱动策略，随后重点介绍支持并完善当前机理解释的代表性应用。最后，本文以一个综合性的展望作为结尾，将这些主题联系起来，并指出了该领域未来研究的有希望的方向。

CEC基础

接触电催化是一种直接利用转移电子来驱动化学反应的催化方法。它可以分为三个步骤：力诱导的接触、电子转移和活性氧物种（ROS）的产生，如图1所示。其普遍性和广泛应用性体现在多个方面，包括催化机理、反应条件、催化剂材料的选择和应用前景等，这些都是关键因素。

CEC性能优化

尽管催化研究传统上主要集中在理解反应机理和提高效率上，但材料表面工程的关键作用往往被忽视。本节将重点介绍三种调节接触电催化剂表面结构的先进策略：表面缺陷的钝化、功能性基团的引入以及Janus型复合催化剂。[64]

接触电催化的应用

接触电催化在自然界中的普遍性为其广泛应用奠定了基础，本研究特别关注其在提高氧化还原反应效率及降低成本方面的作用，从而实现显著的过程优化。首先，我们总结了当前通过CEC合成过氧化氢（H₂O₂的机理理解。[88]接着，我们整合了利用CEC降解有机污染物的现代方法。

关于CEC驱动的H₂O₂合成途径的争议

尽管CEC具有诸多优点，但在H₂O₂的生成途径上仍存在争议。王等人在严格厌氧条件下使用PTFE-水体系时报告了相当甚至更高的H₂O₂产率，表明H₂O₂可以通过WOR（2H₂O → H₂O₂ + H₂）反应单独生成。[91>相比之下，赵等人观察到氮气吹扫可使H₂O₂的形成减少80%以上，这突显了溶解氧的关键作用。

结论与展望

接触电催化通过在界面处的电子转移参与氧化还原反应，在温和条件下实现催化作用。CEC的基本原理本质上涉及研究这些氧化还原反应中的电子转移。在CEC过程中，氟聚合物（如FEP）作为活性催化位点，介导界面电子转移，推动氧化还原反应。这些特性使CEC具有较低的能耗和广泛的应用范围。

CRediT作者贡献声明

徐俊尧：撰写——原始草稿。季志超：资料收集。葛浩宇：实验研究。陈建梅：监督指导。胡新源：实验研究。王龙璐：监督指导

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

所使用的数据属于保密信息。

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了中国自然科学基金（编号22479079、22206094）的财政支持。