综述：机械化学：工程化调控催化剂功能的强大工具

《Journal of the Energy Institute》：Mechanochemistry: A powerful tool to engineer catalyst's functionality

本综述系统阐述机械化学（Mechanochemistry）这一革新性绿色合成策略在催化剂工程领域的突破性进展。文章重点分析了球磨（ball milling）等技术如何通过纳米结构调控、粒径控制及缺陷工程精准优化催化剂性能，显著提升其在CO2重整、加氢、氧化等关键反应中的活性（activity）、选择性（selectivity）与稳定性（stability），同时强调原位表征与计算模拟对解决机理认知、工业放大等挑战的重要性。

　　

Historical developments of mechanochemistry

机械化学的历史可追溯至石器时代人类击石取火的实践，传统研磨工具如研钵与杵的使用已蕴含机械化学原理的雏形。从古希腊泰奥弗拉斯托斯的矿物处理记载，到19世纪凯里-莱斯利对机械力诱发化学反应的系统描述，直至当代国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）将其列为改变世界的十大化学创新之一，该领域历经数百年发展已形成完整理论体系。

Mechanochemistry in catalysis

机械力作用于化学体系催生了催化领域的革命性突破。相较于传统液相合成法，机械化学通过固相反应实现原子级均匀混合，有效克服了金属分散不均、粒径分布宽等问题。在CO₂甲烷化反应中，机械化学制备的催化剂可实现84.5%转化率与99.8%的CH₄选择性；在甲烷干重整反应中表现出优异抗积碳性能；对于氧化反应则显著提升低温活性。该技术还被拓展至锂离子电池回收领域，通过机械化学还原LiCoO₂正极材料，实现锂、钴等金属的高效提取。

Milling parameters

球磨工艺参数对材料性能具有决定性影响。关键变量包括 milling time（ milling time）、球料比（ball-to-powder ratio）、转速、研磨介质材质等系统研究表明：延长 milling time 可促进纳米晶形成但可能导致颗粒团聚；氧化锆研磨球较不锈钢更利于产生高密度晶界缺陷；控制填充度（jar filling degree）在30-50%能优化能量传输效率。通过响应面法（RSM）等统计工具可建立参数-性能定量关系模型。

Current challenges and future prospects

当前机械化学发展面临三大核心挑战：其一，能量传递机制与反应路径尚不明确，需借助同步辐射X射线衍射（synchrotron XRD）等原位表征技术解析微观过程；其二，实验室尺度向工业放大的工程化瓶颈，涉及连续化生产设备开发与工艺标准化；其三，跨实验室重现性难题，需建立统一的能量计量标准（如单位质量吸收机械能值）。未来发展方向包括人工智能辅助的工艺优化、机械化学-流动化学耦合系统构建，以及生物催化剂的机械固定化技术拓展。

Conclusions

机械化学凭借其溶剂零消耗、能耗降低18倍、质量强度（mass intensity）下降2.5-3倍等优势，已成为可持续催化剂设计的基石技术。通过精准调控机械力参数，可创制传统方法难以实现的亚稳相、氧空位及晶格缺陷，为能源催化、环境修复等重大需求提供创新解决方案。随着机理研究的深化与工程技术的迭代，机械化学有望重塑绿色化学制造新范式。