澳大利亚科廷大学JACS：摩擦电化学受表面电荷的稳定性影响而不是表面的电荷量

【引言】

绝缘体之间的摩擦起电现象亘古以来被人们熟知，头发会被气球吸引，在干燥天气穿戴衣物会感觉到触电，这些现象每一天都在身边发生。 但是我们对静电场的起源，发展，电荷传输，消散的机理却知之甚少。静电荷起源和载体多年来备受争议，离子转移说，电子转移说都在其实验的基础和日益先进的检测方式下蓬勃发展。多年来科学家共同的认知是其在电化学领域的应用，摩擦静电场的产生，不论其电荷载体是离子还是电子，都被认为在电化学领域具有巨大潜力，比如利用摩擦产生的电荷去发生氧化还原反应，甚至包括非氧化还原反应。目前电荷的检测主要还是用Faraday pail去检测净电荷，我们认为不同的绝缘体摩擦起电后，每一个绝缘体都是由正电荷和负电荷共同组成的类似“马赛克”式的电荷模型，并不是像人们之前认为的一方是单纯的正电荷而另一方是负电荷。这个理论我们通过摩擦后净电荷为正值的尼龙也可以还原银离子得到银纳米颗粒而不需要任何还原剂而得到直接证明。正是因为我们所能检测的只是净电荷，所以我们有理由推测摩擦起电所能产生的负电荷量可能是远远大于我们的想象的，其在电化学领域的潜在应用是巨大的。

【成果简介】

近日，澳大利亚科廷大学的Dr Simone Ciampi和澳洲国立大学的Professor Michelle L Coote（共同通讯作者）团队报道了对摩擦起电应用于电化学还原反应程度的定量理解的机理研究。通过将带有不同摩擦净电荷（包括净电荷为正和负）的多种绝缘体用于还原银离子，不仅证明了摩擦电荷能够直接用于金属离子的还原，而且对“马赛克”式的表面电荷分布提供了直接实验依据。实验结果表明，摩擦起电的载体为离子，而不是电子。同时，阳离子越稳定，阴离子越活泼的绝缘体材料，比如PVC, 还原金属阴离子的能力越强，即使PVC 摩擦后所带的净电荷很小。简而言之，绝缘体材料的摩擦电荷还原能力并不与其所产生的净电荷量大小相关。这是首次从化学反应的角度揭示了摩擦电荷的本质。研究成果以题为“Electrochemistry on Tribocharged Polymers Is Governed by the Stability of Surface Charges Rather than Charging Magnitude”发布在国际著名期刊JACS上。本文第一作者：张金洋（博士研究生）。

【图文解读】

图一 各种绝缘体材料电离能和离子亲和能的理论计算

（a）电离能的理论计算值，阳离子的稳定性随电离能增大而减小。

（b）电子亲和能的理论计算值，阴离子的稳定性随随电子亲和能增大而增大。

图二 银纳米颗粒生长在绝缘材料表面的分析

（a）银纳米颗粒沉积的XPS 图

（b）银纳米颗粒的TEM 图

（c）银纳米颗粒的HRTEM 图

（d）银纳米颗粒的SAED 图

图三 银和金纳米颗粒生长在绝缘材料表面的AFM图

（a）,（b）银纳米颗粒生长在绝缘材料表面的AFM图

（c）,（d）金纳米颗粒生长在绝缘材料表面的AFM图

图四 绝缘材料还原银离子的量随摩擦产生净电荷的量的变化

图五 银离子在带有正电荷的尼龙上的还原

（a）银纳米颗粒的XPS 图（b）绝缘体表面电荷密度与银纳米颗粒沉积量的关系

图六 氧化还原能力和绝缘材料的电荷密度之间的材料特性关系

（a）三种不同的绝缘材料表面电荷密度与银纳米颗粒沉积量的关系 （b）PVC与PDMS等电荷下的表面电荷分布示意图 （c）银离子生成银纳米颗的还原机理

【小结】

综上所述，作者报道了摩擦起电的载体是离子而非电子，实验结果表明，摩擦起电的还原能力依赖于绝缘体材料，阳离子越稳定，阴离子越活泼的绝缘材料，其还原金属离子的能力越强。此外，实验结果为绝缘材料表面正负电荷的“马赛克”分布提供了直接的证据。这些研究结果扩展了对静电场理论的认识，将对单电级电化学体系和静电催化领域有指导性意义。

文献链接：

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

本文由澳大利亚科廷大学的Dr Simone Ciampi团队供稿。

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