综述：超声引发的接触电催化研究进展：从机理到应用的探索

《Nano Energy》：Research progress in ultrasound-initiated contact-electro-catalysis: exploration from mechanism to application

接触电催化（CEC）通过机械刺激触发界面电荷转移驱动化学反应，结合超声（US）可提升催化效率与环境可持续性。本文系统分析US-CEC的机制，包括接触 electrification效应及超声诱导的微流场与空化效应，探讨催化剂材料设计原则与性能优化因素，总结其在废水处理、资源回收、化学合成及生物医学等领域的应用，并讨论当前机理不明、材料稳定性差及规模化挑战，提出未来需结合原位表征与多学科交叉研究。

　　

周宝成|林国|王世兴|夏红英|胡图|李世伟|左永刚|傅立康|刘健|张庚伟|张立波|王晨

昆明理工大学冶金与能源工程学院，中国云南省昆明市650093

摘要

接触电催化（CEC）这一新兴领域利用机械能通过接触电化（CE）引发的界面电子转移来驱动化学反应。当与超声波（US）结合时，US引发的CEC在常温条件下能够实现高效率，为传统催化方法提供了一种可持续的替代方案。本综述系统分析了US引发的CEC，从其基于电子转移的液固界面基本机制入手，主要依赖于电子云-势阱模型和Wang提出的混合电双层模型。文章重点评估了影响性能的关键因素，包括催化剂性质、溶液参数和US条件。进一步阐明了US的协同物理和化学效应，这些效应增强了界面接触、传质和原位自由基生成。材料设计策略从经典聚合物和氧化物发展到先进复合材料，旨在优化电荷利用。总结了其在环境修复、资源回收、化学合成和生物医学治疗等领域的广泛应用，展示了该技术的多功能性和绿色化学特性。最后，讨论了在机制理解、材料稳定性和反应器规模化方面的持续挑战，并提出了基于原位表征、合理催化剂设计和工艺强化的未来发展方向。本综述旨在推动US引发的CEC从概念创新走向实际应用。

引言

在全球能源危机和环境退化日益严重的背景下，催化技术已成为实现高效能源转换和深度污染物净化的重要手段，从而成为可持续发展的关键推动力[1],[2],[3],[4],[5],[6]。其应用涵盖了国民经济的关键领域，从大规模工业合成到日常生活中的水净化[7],[8],[9],[10],[11]。然而，尽管经过数十年的发展，传统的催化系统（包括热催化、光催化和电催化过程）仍存在固有的局限性，阻碍了其在低能耗和绿色场景中的广泛应用[12],[13],[14],[15],[16],[17]。热催化需要高温高压，导致大量能源消耗和有害副产物[18],[19]。光催化受到半导体材料窄光吸收范围的限制，以及光生载流子快速复合和整体效率较低的问题[20],[21]。电催化虽然可以在常温条件下运行，但通常依赖贵金属催化剂（如Pt或Ir基材料）来降低反应能垒。导电电极制备的高成本，加上氢气或氧气生成等竞争反应，进一步影响了目标产物的选择性[22],[23]。在这种背景下，2022年提出的接触电催化（CEC）是一种新兴的催化机制，它超越了对单一能量输入的依赖[24]。这种机制有望构建出在温和条件、高效率和低环境影响下运行的催化系统。

机械化学被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）列为十大新兴技术之一，通常利用外部机械搅拌产生缺陷、局部极端条件或力诱导效应来驱动化学反应[25],[26],[27]。然而，在机械化学环境中液体和固体之间经常观察到的接触电化（CE）效应的作用尚未得到充分重视。摩擦电纳米发电机（TENG）的基础研究进展为液固（L-S）CE的原位研究提供了坚实的平台[28]。Wang等人[29]在研究CE的能量收集特性时发现，接触产生的界面电荷不仅可以用于电能输出，还能显著调节材料表面的催化活性。CEC的概念源于对传统机械化学和CE效应的深入理解[30],[31],[32],[33]。CEC机制的核心是在机械刺激下，通过界面（如L-S或液-液（L-L））驱动电子转移。这一过程启动氧化还原反应，将原本被忽视的机械能（如振动、流动或碰撞）转化为化学转化的动力。与传统催化技术相比，CEC具有三个显著优势（图1）。首先，它突破了催化剂选择的化学活性限制：任何具有良好接触电化能力的材料，无论是化学惰性的聚合物（如氟化乙烯丙烯（FEP）、聚四氟乙烯（PTFE））还是无机氧化物（如SiO₂、Al₂O₃），都可以作为催化介质，大大拓宽了候选材料的范围[34],[35]。其次，驱动CEC所需的能量是环境友好的和可持续的，通常来自常见的机械源，如超声波（US）或球磨，这些方法能耗低、反应条件温和，符合低碳发展目标[36]。第三，CEC与其他催化机制（如压电催化、光催化、异相催化）具有协同耦合潜力，通过界面电子调控进一步提高催化效率[37],[38],[39]。

在提供机械能的各种方法中，超声波（US）被认为是一种高效的机械能输入形式[40],[41],[42],[43]。作为引发CEC的最具代表性的方法之一，US为该过程的机制研究和应用探索提供了重要平台。利用US引发CEC在催化效率、操作条件和环境可持续性方面具有显著的科学和实用价值[44],[45],[46]。当频率超过20 kHz的US波在液体中传播时，会产生周期性的压缩和稀疏[47],[48]。这不仅在固液界面提供了高频、连续的接触-分离循环，还诱导了特征性的声空化效应——即液体中微气泡的剧烈形成和破裂——从而创造了极端的局部物理化学条件（如高温、高压和强烈的微射流[24],[49]。这些综合效应显著增强了接触电催化过程中的界面电荷生成和转移，从而提高了催化性能，并在声学、机械、电学和化学领域建立了有效的耦合。

因此，本综述系统地探讨了US引发的CEC这一新兴前沿[图2]。我们首先详细分析了CEC机制及其关键影响因素，随后阐明了US与CEC之间的协同效应，接着概述了针对这一机制的材料设计原则，然后展示了各领域的应用实例，最后讨论了当前挑战和未来发展方向。本综述强调，虽然US是引发和增强CEC的有效手段，但理解和利用CEC本身的内在原理仍是推动该领域发展的核心。

CEC的核心机制和影响因素

超声波（US）的引入显著提高了CEC的性能。然而，所有这些提升都源于CEC的基本机制。因此，首先需要排除外部场的影响，深入理解CEC反应背后的微观过程和一般原理。CEC与传统催化不同，后者依赖于活性位的电子结构。从根本上说，CEC是一种

US与CEC之间的协同效应

作为最有前景的CEC引发策略，US引发的CEC通过高频机械振动增强了材料接触-分离的效率，同时利用空化效应创造了局部的高压和高温微区，这种协同效应超过了各效应的简单叠加。US空化是US引发CEC的核心物理现象，它驱动了一系列复杂的物理化学过程

CEC的材料设计

对机制和影响因素的清晰理解为设计高性能催化材料提供了明确的指导原则。在CEC领域，材料开发正从单纯识别“可用”候选材料向有针对性的“机制导向设计”转变。CEC机制的阐明扩大了潜在催化剂的范围，催生了与传统催化不同的材料设计策略，包括定制聚合物

US引发的CEC的重要应用

当材料设计和机制理解以相互促进的方式进步时，US引发的CEC开始在各种应用场景中展现其独特的解决问题的能力。由于其高效节能的特性、广泛的催化剂可用性和温和的反应条件，CEC在水处理、资源回收、化学合成和生物医学等领域显示出巨大潜力。作为一种成熟的活化方法，US提供了

结论与展望

作为基于CE效应的新型催化机制，CEC超越了传统催化对材料化学活性和特定能量输入形式的依赖，为绿色催化技术提供了有前景的途径。US作为CEC的核心活化方法，通过机械振动和空化提供了高频接触-分离循环和局部微环境调节，为机制研究和实际应用奠定了基础。

CRediT作者贡献声明

夏红英：验证。 王世兴：验证、监督、数据管理。 林国：撰写——审稿与编辑、资源准备、概念构思。 周宝成：撰写——初稿、可视化、实验研究、数据分析、概念构思。 王晨：验证。 张立波：撰写——审稿与编辑、验证、资源准备、概念构思。 张庚伟：验证。 刘健：数据管理。 傅立康：可视化、验证。 左永刚：方法论。 李世伟：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52304329）和云南省基础研究项目（项目编号202201BE070001-003）的支持。林国感谢云南省星电人才支持计划的支持。

周宝成是昆明理工大学冶金系的博士候选人，他的研究专注于外部场增强冶金的应用，特别是超声波技术。作为第一作者/通讯作者，他在高影响力期刊（包括《Coordination Chemistry Reviews》）上发表了10多篇SCI论文。