澳大利亞科廷大學JACS：摩擦電化學受表面電荷的穩定性影響而不是表面的電荷量

【引言】

絕緣體之間的摩擦起電現象亙古以來被人們熟知，頭發會被氣球吸引，在干燥天氣穿戴衣物會感覺到觸電，這些現象每一天都在身邊發生。 但是我們對靜電場的起源，發展，電荷傳輸，消散的機理卻知之甚少。靜電荷起源和載體多年來備受爭議，離子轉移說，電子轉移說都在其實驗的基礎和日益先進的檢測方式下蓬勃發展。多年來科學家共同的認知是其在電化學領域的應用，摩擦靜電場的產生，不論其電荷載體是離子還是電子，都被認為在電化學領域具有巨大潛力，比如利用摩擦產生的電荷去發生氧化還原反應，甚至包括非氧化還原反應。目前電荷的檢測主要還是用Faraday pail去檢測凈電荷，我們認為不同的絕緣體摩擦起電后，每一個絕緣體都是由正電荷和負電荷共同組成的類似“馬賽克”式的電荷模型，并不是像人們之前認為的一方是單純的正電荷而另一方是負電荷。這個理論我們通過摩擦后凈電荷為正值的尼龍也可以還原銀離子得到銀納米顆粒而不需要任何還原劑而得到直接證明。正是因為我們所能檢測的只是凈電荷，所以我們有理由推測摩擦起電所能產生的負電荷量可能是遠遠大于我們的想象的，其在電化學領域的潛在應用是巨大的。

【成果簡介】

近日，澳大利亞科廷大學的Dr Simone Ciampi和澳洲國立大學的Professor Michelle L Coote（共同通訊作者）團隊報道了對摩擦起電應用于電化學還原反應程度的定量理解的機理研究。通過將帶有不同摩擦凈電荷（包括凈電荷為正和負）的多種絕緣體用于還原銀離子，不僅證明了摩擦電荷能夠直接用于金屬離子的還原，而且對“馬賽克”式的表面電荷分布提供了直接實驗依據。實驗結果表明，摩擦起電的載體為離子，而不是電子。同時，陽離子越穩定，陰離子越活潑的絕緣體材料，比如PVC, 還原金屬陰離子的能力越強，即使PVC 摩擦后所帶的凈電荷很小。簡而言之，絕緣體材料的摩擦電荷還原能力并不與其所產生的凈電荷量大小相關。這是首次從化學反應的角度揭示了摩擦電荷的本質。研究成果以題為“Electrochemistry on Tribocharged Polymers Is Governed by the Stability of Surface Charges Rather than Charging Magnitude”發布在國際著名期刊JACS上。本文第一作者：張金洋（博士研究生）。

【圖文解讀】

圖一 各種絕緣體材料電離能和離子親和能的理論計算

（a）電離能的理論計算值，陽離子的穩定性隨電離能增大而減小。

（b）電子親和能的理論計算值，陰離子的穩定性隨隨電子親和能增大而增大。

圖二 銀納米顆粒生長在絕緣材料表面的分析

（a）銀納米顆粒沉積的XPS 圖

（b）銀納米顆粒的TEM 圖

（c）銀納米顆粒的HRTEM 圖

（d）銀納米顆粒的SAED 圖

圖三 銀和金納米顆粒生長在絕緣材料表面的AFM圖

（a）,（b）銀納米顆粒生長在絕緣材料表面的AFM圖

（c）,（d）金納米顆粒生長在絕緣材料表面的AFM圖

圖四 絕緣材料還原銀離子的量隨摩擦產生凈電荷的量的變化

圖五 銀離子在帶有正電荷的尼龍上的還原

（a）銀納米顆粒的XPS 圖（b）絕緣體表面電荷密度與銀納米顆粒沉積量的關系

圖六 氧化還原能力和絕緣材料的電荷密度之間的材料特性關系

（a）三種不同的絕緣材料表面電荷密度與銀納米顆粒沉積量的關系 （b）PVC與PDMS等電荷下的表面電荷分布示意圖 （c）銀離子生成銀納米顆的還原機理

【小結】

綜上所述，作者報道了摩擦起電的載體是離子而非電子，實驗結果表明，摩擦起電的還原能力依賴于絕緣體材料，陽離子越穩定，陰離子越活潑的絕緣材料，其還原金屬離子的能力越強。此外，實驗結果為絕緣材料表面正負電荷的“馬賽克”分布提供了直接的證據。這些研究結果擴展了對靜電場理論的認識，將對單電級電化學體系和靜電催化領域有指導性意義。

文獻鏈接：

Electrochemistry on Tribocharged Polymers Is Governed by the Stability of Surface Charges Rather than Charging Magnitude（JACS.?2019, DOI: 10.1021/jacs.9b00297）

本文由澳大利亞科廷大學的Dr Simone Ciampi團隊供稿。

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