推动机械化学的发展：机械催化作用

《RSC Mechanochemistry》：Moving mechanochemistry forward: mechanocatalysis

机械催化是机械化学的重要分支，通过机械力影响催化反应速率或路径。本文提出机械催化定义，综述其研究进展、机制（如自由基、缺陷、局部高压）及表征技术（原位XRD、拉曼、XAS、NMR），指出单次碰撞实验和量子计算的重要性，并展望工业应用前景。

　　

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机械催化是机械化学中一个令人兴奋的子领域，尽管它仍然相对年轻。通过Web of Science搜索相关描述词（如mechanocatal*、mechano-catal*、tribocatal*或tribo-catal*），可以发现1994年之后仅有少数相关出版物。从2013年开始，相关研究数量显著增加，到2025年大约发表了100篇文章，其中许多发表在《RSC Mechanochemistry》期刊上。

由于目前还没有被广泛接受的“机械催化”定义，这个术语的使用往往比较宽松。仅仅通过机械力的影响来提高反应速率是整个机械化学的一个基本特征，因此它不适合作为定义的基础。

基于此，我们希望借此机会提出以下定义，并欢迎机械化学和机械催化领域的专家提出意见。

“机械催化是指任何在无机械力作用下被催化的反应——无论是由固体表面还是分子实体催化——但当系统受到机械扰动时，反应速率或反应路径会发生变化。”

机械化学在催化材料的合成方面也非常重要，因为许多具有催化活性的材料可以通过球磨等相关技术制备。¹ 但我们不会将这种通过机械手段制备催化剂的过程称为机械催化。

尽管机械催化的研究时间相对较短，但该领域所涵盖的合成范围已经相当广泛。这种方法在均相催化（如Heck反应或Suzuki反应）²、有机催化³、非均相气相反应^4,5等领域已经得到广泛应用，预计未来还会发现更多新的反应和现象。特别值得关注的是所谓的直接机械催化⁶的发展，其中球体和研磨容器的材料本身就具有催化活性，通过研磨进一步增强了催化效果。^7–9

机械催化之所以引人注目，是因为其催化活性的增强机制在很大程度上尚未被充分探索。虽然提出了多种可能的机理解释，并且在某些情况下也得到了实验验证（例如在聚烯烃的降解过程中检测到了机械生成的自由基^10–12）。自由基也被发现对甲烷的单氯化反应有重要作用¹³。其他可能提高催化活性的因素，如球体碰撞时产生的热点¹⁴，仍需要通过实验或理论计算来验证。例如Blair等人发现六方氮化硼中存在机械诱导的短寿命高活性缺陷¹⁵，以及新鲜表面的持续生成¹⁶或局部压力增加¹⁷等，都可能是重要的影响因素。

在涉及分子催化剂的有机转化中，反应活性的改变通常可以归因于溶剂的存在与否，溶剂的存在会导致过渡态和/或中间体的能量发生变化，从而改变反应路径。此外，机械催化通常不需要溶剂，这对于那些在常规条件下难以转化的不溶性底物来说是一个重要优势。阐明机械催化效应的分子起源仍是该领域的一大挑战。

研究机械催化效应的最大障碍在于，研磨过程中的关键事件（即碰撞）发生在非常局部的范围内（仅影响几千立方微米的粉末），并且发生时间极短（大约几十毫秒¹⁹），这可能会被周围未受扰动的材料所掩盖。

长期以来，球磨机内的反应过程一直被视为一个“黑箱”。直到使用原位 X射线衍射（XRD）技术跟踪金属-有机框架（MOF）的机械化学形成过程²⁰，这种情况才得以改变，后来这一方法被扩展到其他领域和问题，包括机械催化。尽管面临诸多挑战，近年来原位技术（如粉末XRD和拉曼光谱）的应用显著提高了我们对机械催化的理解。这些技术使我们能够识别中间体、监测反应机理和动力学，并建立催化剂结构与性质之间的关系^21,22。

在研磨过程中结合其他表征技术（如X射线吸收光谱^XAS或核磁共振^NMR光谱）进一步有助于从局部结构层面理解机械催化过程中的现象，从而加深对活性中心本质的认识^23,24。

依赖于单次碰撞分析、原子尺度实验或量子化学计算的有前景的方法有望提供关于控制机械催化的关键因素的更深入见解，但这些研究目前还处于有限阶段。

单次碰撞实验已被用于爆炸物的研究²⁵，Tysoe团队结合原子力显微镜（AFM）和量子化学计算研究了压力对反应的影响²⁶，量子化学计算也从一般机械化学反应的研究扩展到了机械催化²⁸。如果未来这些方法得到更广泛的应用，我们相信将能够更深入地理解机械催化反应的机制。事实上，催化活性的增强往往不是由单一因素引起的，而是多种效应共同作用的结果。

机械催化已确立为机械化学中的一个重要领域，并且预计将继续发展。虽然目前尚未见到机械催化在工业上的广泛应用，但其巨大潜力预示着这一趋势很快就会实现！然而，这需要对其反应过程进行详细的放大研究，以确保其能够商业化。

总之，机械催化领域仍有很多核心问题有待解答。我们希望这篇社论以及提出的机械催化定义能够激发更多相关研究和讨论。无论研究问题或采用的方法是什么，RSC Mechanochemistry都是发表相关成果的理想期刊，因为它能确保您的研究能够准确传达给目标读者。

参考文献