《Nano Energy》：From contact electrification to chemical reactions: The emergence of contact-electro-catalysis
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接触电催化（CEC）作为界面电荷转移驱动的化学转化新范式，其通过电极自由界面电荷分离产生强电场及活性物种，实现污染物降解、气体活化、金属离子还原等反应。该机制突破传统外部能量输入模式，强调界面微环境与电荷转移的协同作用，在能源转化、环境修复等领域展现潜力。
韩倩|王中林|戴伟
中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所，北京 101400，中国
摘要
接触电化是一种普遍存在的界面现象，几个世纪以来一直被人们所认识。最近，它被确定为一种之前未被充分探索的化学反应驱动力。除了在静电学和能量收集中的经典作用外，接触界面处的电荷转移和积累可以产生强烈的界面电场和活性自由基，这些因素共同引发并维持化学反应。本文将接触电催化（CEC）确立为一个概念框架，用于描述由界面电荷转移而非外部施加的电、光或热刺激所控制的化学转化过程。我们重点关注界面电荷转移、局部界面微环境与反应路径之间的内在耦合。文中调查了多种基于CEC的过程，包括有机污染物降解、生物医学应用、直接合成H2O2、气体分子活化、金属离子还原以及废旧锂离子电池的回收。这些例子突出了CEC的典型特征，如无需电极即可操作、广泛的材料适用性以及成对氧化还原反应的时空解耦。最后，我们评估了CEC中氧化反应与还原反应的当前占比和相对平衡，分析了这种差异的潜在机制，并提出了关键的科学挑战和新兴机遇，同时为CEC作为多功能和可持续的化学转化平台指明了未来发展方向。
引言
接触电化（CE）是最早被认识的界面现象之一，其起源可以追溯到古代对摩擦琥珀吸引轻物的观察[1]、[2]、[3]、[4]。随着经典物理学的发展，它被正式定义为不同材料接触和分离过程中发生的电荷转移和积累现象，并长期被视为一种宏观的静电效应[5]、[6]、[7]。尽管CE在各种界面中普遍存在，但它长期以来与主流化学研究基本脱节，很少被认作是化学反应的驱动力[8]、[9]。这种长期忽视主要源于传统的化学范式，即反应是由外部能量输入（如电化学中的电场、光化学中的光子或热化学中的热激活）来分类和调控的[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。相比之下，早期关于液固接触电化的研究主要将电荷转移归因于离子吸附或电离[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。由于这些过程发生在没有电极或稳定外部场的情况下，因此被广泛认为在化学上不重要[21]。因此，CE历史上主要应用于静电控制、粉末处理以及最近的能量收集领域，而其作为真正化学反应驱动力的潜力则被大大忽视了[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。
CE的机制多种多样且强烈依赖于系统条件[2]、[27]。根据接触材料和界面环境的不同，电荷分离可能涉及电子转移、离子转移或物质转移过程[4]、[28]、[29]。早期研究强调了吸附水层中的离子分配[4]、电子和离子的电荷穿透深度依赖性贡献[28]，以及机械诱导的离子片段形成[29]。最近的一系列研究表明，在液固界面中确实存在电子转移，在某些情况下，电子转移是主导过程[2]、[30]。为了解释这一机制，提出了“电子云-势阱”模型，该模型将CE中的界面电子转移归因于机械刺激引起的电子云重叠[16]。具体来说，在热运动或流体压力的驱动下，液体分子与固体表面碰撞，从而引发电子云重叠，实现电子交换。基于这一概念，王等人[2]提出了一个混合电双层（EDL）模型，该模型同时考虑了电子转移和离子吸附效应，其中EDL的形成可以描述为一个“两步”过程（图1a）。第一步中，液体中的分子和离子在热运动或流体压力作用下与固体表面碰撞。由于电子云的重叠，电子在固液界面之间交换，同时离子被吸附到固体表面（图1b）。这一步解释了初始表面电荷的来源和组成，在传统的EDL模型中这部分内容并不明确。第二步类似于经典的EDL框架，液体中的自由离子被静电吸引到带电的固体表面，从而形成EDL。关键的是，电子转移或激发的性质决定了不同的化学反应范式：在电化学系统中，活性电子通过电极处的电荷交换提供；而在光化学过程中，光激发产生电子-空穴对，从而引发反应性。由此可知，CE过程中发生的电子转移原则上可以作为化学反应的驱动力。我们将这一过程称为接触电催化（CEC），它作为CE与机械化学之间的概念桥梁，被认为是对现有反应策略的重要补充。
在这篇综述中，我们阐述了CEC的概念框架、基本原理、定义特征、代表性应用和未来发展方向。通过整合最新进展和新兴的机制见解，我们提供了关于CEC作为一个独特、多功能和可持续化学范式的连贯而全面的观点。我们期望这篇综述不仅能够提供当前进展的权威概述，还能激发进一步的批判性思考、方法创新以及这一快速发展的领域的变革性进展。
CEC基础
从基础物理化学的角度来看，CEC由三个紧密耦合的要素控制：界面电荷转移和积累、强界面电场的建立以及活性自由基的生成，这些因素协同作用以引发和驱动化学反应[2]。王等人[31]首次提出了水系统中CEC的“两步”反应模型，涉及水的氧化和氧分子的还原。
有机污染物降解
有机污染物降解是CEC最典型且系统研究最深入的应用领域之一[33]、[48]、[60]。各种有机污染物普遍存在于水环境中，包括有机染料[31]、[47]、[49]、[61]、酚类污染物[62]、[63]、[64]、抗生素[65]、[66]、[67]、磺胺嘧啶[68]、[69]以及全氟烷基物质[35]、[36]。这些污染物通常具有多样的分子结构，反应过程也相当复杂。
结论与展望
在这篇综述中，我们总结了CEC的概念基础、基本原理、关键特征和代表性应用，并描述了这一领域如何从一个几乎被忽视的界面物理现象发展成为可以系统分析和设计的反应框架。迄今为止报道的机制模型，包括在水和有机系统中广泛采用的“两步”反应模型，从三个紧密相关的角度进行了探讨：
CRediT作者贡献声明
韩倩：撰写——初稿，研究，正式分析，概念化。王中林：撰写——审稿与编辑，概念化。戴伟：撰写——审稿与编辑，资金获取，正式分析，概念化。
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。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：22479016）的支持。
韩倩于2023年获得河南科技大学的学士学位，目前正在中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所攻读博士学位。他的研究方向是界面处的离子和电子转移，及其在离子电子学、渗透能转换和接触电化学（CE-Chemistry）中的应用。
