研究背景
摩擦起电是一个非常普遍的物理现象。数十年来，学术界针对固体与固体之间的摩擦起电，相继提出了电子转移、离子转移以及材料转移理论。然而，液体与固体之间的摩擦起电机理尚未有一个明确的结论。近期，王中林院士课题组提出，电子转移在液固摩擦起电中可能占主导作用，这为双电层的形成及其相关领域，如机械化学、电催化、电化学存储、电泳以及液固摩擦纳米发电机，提供了新的见解。作为电子的一个重要内禀属性，自旋对界面电子传输有重要的影响。这意味着磁场可能影响界面电子转移而不影响离子吸附。因此，通过研究磁场对液固摩擦界面电子转移的影响，能够判断液固摩擦界面是否存在电子转移。
文章概述
近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所林世权副研究员等在王中林院士的指导下利用液下开尔文探针力显微镜（dual harmonic Kelvin probe force microscopy, DH KPFM）研究了不同液体和铁磁材料之间摩擦起电，着重讨论了外部磁场对液体和固体之间摩擦起电的影响。研究发现，液体中溶解的氧气分子对液体-固体摩擦起电有贡献。此外，磁场可以促进含氧液体和铁磁性样品之间的电荷转移，表明在液-固摩擦起电过程中发生了自旋选择的电子转移。作者基于自由基对理论，提出了一个考虑电子自旋的液固摩擦电子转移模型，为理解磁场控制的液固摩擦起电提供了一个新的视角。该研究进一步证明了王中林院士提出的物质界面接触起电的电子转移的机理和模型 （Materials Today, 30 (2019) 34； Nature Communication, 11 (2020) 399; Chemical Review, 122 (2022) 5209）。这项成果以题为“Spin-selected electron transfer in liquid-solid contact electrification”发表在《Nature Communications》上。
图文导读
图1. 磁场对去离子水与不同固体样品之间摩擦起电的影响。
在原子力显微镜下安装电磁铁，能够在液固界面施加一个小于0.5 T的磁场。使用DH KPFM测量液体环境下固体表面电势，计算液固界面转移电荷。发现当磁场打开时，液体环境下固体表面电势有一个显著的增加，说明液固界面在磁场的驱动下发生了额外的电荷转移，并且转移的电荷量随磁场的增大而增大。
图2. 氧气分子对液固界面摩擦电荷转移磁敏感性的贡献
使用不同氧浓度的水与铁磁材料进行摩擦起电实验。发现液体的氧浓度越大，则液固之间电荷转移量越大，说明液体中的氧气分子对液固起电有影响。更重要的是，液体的氧浓度越大，液固界面电荷转移受磁场的影响也越大，说明氧气分子在磁场诱导的液固界面电子转移中占有重要地位。
图3. 液固界面自旋选择的电子转移模型。
作者基于自由基对解释（radical pair mechanism，RPM），对实验结果进行了解释。RPM指出化学反应中一个自由基对中的两个自由基如果均含有未成对电子，那么磁场可能能够加快这两个未成对电子的自旋态转化（比如单重态与三重态的相互转化），促进单重态产物生成。在液固摩擦起电中，液体中的氧气分子得到一个电子后与水反应产生HO2，含有一个未成对电子，而铁磁体材料中的电子在DH KPFM的交流电场下逃离固体表面，成为自由的未成对电子。作者将HO2与逃离铁磁体材料表面的电子当做一个自由基对，磁场能够促进该自由基对的自旋转化，促进其反应产物HO2-的生成，增加液固界面电子转移量。
总结
综上所述，本工作研究磁场对含氧液体与铁磁体材料界面摩擦起电的影响，发现磁场能够促进含氧液体与铁磁体材料界面的电和转移。由于水中的氢离子和氢氧根离子在固体表面的吸附对磁场没有响应，说明液固界面存在电子转移。作者在RPM理论基础上，对液固界面自旋选择的电子转移进行了解释。
原文链接：Shiquan Lin, Laipan Zhu, Zhen Tang, and Zhong Lin Wang* “Spin-selected electron transfer in liquid-solid contact electrification”, Nature Communication, 13 (2022) 5230; https://doi.org/10.1038/s41467-022-32984-9
