谁在摧毁你的研究？一个材料的背锅之路
输
成也特氟龙，败也特氟龙。
撰文 | 李存璞（重庆大学化学化工学院副教授）
是不是在做实验过程中总觉得产率太低，副产物太多？是不是发现精彩的实验结果难以重复？是不是难以解释的实验现象频繁出现。你控制投料，去除杂质，通入惰性气体，精制所有的溶剂，最后却发现还是功亏一篑。
现在，除了嫌弃自己研究生的操作水平令人窒息之外，也许你可以试着看一下实验中另一个重要参与者，看是不是它摧毁了你的研究。
是时候揭晓答案了。
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跟许多动人的故事一样，一切源自于一场意外。1938年，杜邦公司的化学家Roy J. Plunkett发现储存在高压钢瓶中的四氟乙烯气体没办法被全部倒出来，反而会残留一部分固体物质在瓶底。经过系统的研究之后，Plunkett发现四氟乙烯是在气瓶中自发地转化为了一种高分子，也就是现在被广泛使用的聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）。经过一系列的条件优化，改进实验工艺，两年之后的1941年，杜邦公司成功获批了PTFE的专利[1]，并将其注册为商品名“Teflon”（中文译作“特氟龙”）。
图1 PTFE的合成。四氟乙烯在催化条件下聚合即可获得PTFE聚合物。
图2 美国杜邦公司1941年PTFE合成专利的权力要求书中的生产工艺优化表[2]。
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PTFE为杜邦公司带来了巨大的收益。作为一类特种高分子材料，PTFE的全氟骨架提供了极高的化学稳定性、耐高温性、耐强酸强碱性和抗各种溶剂等优势，使得其在最近数十年逐渐占领了科学家们的实验室。搅拌子，一个在液态反应中作为搅拌桨来使用的小家伙是PTFE在实验室中最重要的“化身”之一。除此之外，反应釜内胆、各类装置的活塞、微型反应器等许多装置都由PTFE制造。此外，PTFE极低的表面能带来的不粘特性使得这些实验器具极易被清洗，以便随时被用于下一个实验当中，这一优点自然得到了广大一线实验人员的推崇。尽管十分稳定，PTFE依然会在使用中被强酸、强碱、强氧化性等体系所缓慢破坏，使得搅拌子等表面发生颜色的改变，逐渐产生裂痕和损伤。破损的搅拌子也许会给实验带来不利影响，Nagy和Bazsa在1991年就曾系统地总结了PTFE搅拌子中残留的污染物可能会导致催化反应活性下降等问题[2]。
图3 随着使用次数的增加，原本雪白光滑的PTFE搅拌子出现颜色变化，并产生裂痕与损伤[3]。
而在近日，俄罗斯科学院的Pentsak等人则提出了一种新的观点，搅拌子也许在其漫长的使用历程中逐渐“进化”，最终成为了化学反应进行的主宰，从而摧毁科学家们的研究[3][4]。纵观PTFE搅拌子的一生，它可能经历过各种各样的反应体系，而这其中也许有遇到过Pt，Pd等具有催化活性的物质被吸附进搅拌子表面的裂缝。这些具有催化活性的物质会把搅拌子转化为一颗有催化性能的搅拌子，并产生与预期不符甚或超出预期的实验结果。
催化剂是一类可以促进化学反应速率的，而不改变化学反应进行趋势的重要材料。新型催化剂的开发可以大大提高化学反应效率，同时降低生产成本，因此一直以来是化学化工领域重要的研究内容。而在催化剂研究中，如何获得高活性的催化剂是众多科学家的研究方向。科学家们会将全新合成催化剂与当前最优的成熟催化剂进行平行对比以验证新催化剂材料的性能。例如在氢气-氧气燃料电池的研究中，目前最为成熟的氧气还原催化剂是贵金属铂（Pt），但Pt本身储量较少，价格昂贵，因此众多研究人员展开了不依赖于Pt的催化剂研究；又例如有机化学中重要的偶联反应（Coupling reaction），往往依赖于钯（Pd）金属催化剂的参与，但也有广大研究人员试图应用不含Pd元素的催化剂来催化偶联反应的进行。许多鼓舞人心的结果被报道出来，例如可媲美Pt催化性能的非铂催化剂，又例如不依赖Pd金属的各类偶联反应。
Pentsak选择了经典的Suzuki-Miyaura偶联反应进行对比实验研究。这一反应可以将两个烯丙基或芳基基团直接相连，在构建复杂有机骨架中具有重要的价值。许多有机化学家致力于这一偶联反应催化剂的研究，但在Pentsak的报道中，即使不加入催化剂，而选择陈旧的PTFE搅拌子，也有可能催化Suzuki-Miyaura偶联反应进行。这意味着也许许多显示出催化能力的新型催化剂，本身实际上没有催化活性，反应的进行其实得益于PTFE搅拌子所携带的具有催化能力的污染物。
图4 Suzuki-Miyaura偶联反应和条件筛选。即使没有Pd/C催化剂，陈旧的搅拌子也能起到良好的催化效果[3]。
这意味着使用陈旧搅拌子可能会在研发新型催化剂过程中带来“假阳性”的结果。除了发表专利保护自己的研究成果之外，许多科学工作者倾向于在期刊公开发表自己最新的研究进展，以期获得同行的认可，并进一步地由科学共同体推动领域进步。因此许多新型的催化剂合成方法、性能表征等细节被撰写成论文发表。而新催化剂的性能越出色，则越容易发表于顶级期刊，进而被大量同行研究者所阅读和参考。被报道的“假阳性”结果，可能会导致其他研究人员开展错误的研究分支，造成科研人员和研究经费的浪费。而如果其他研究人员在重复实验过程中发现被报道的“假阳性”结果无法重复，那么对发表“假阳性”研究成果的研究人员的声誉也会造成极大的影响。除了搅拌子之外，实验室的PTFE反应釜内胆可能也是“假阳性”结果的重灾区。尽管没有被系统地报道，但由于反应釜本身多用于进行高温高压实验，反应釜PTFE内胆在使用过程中的裂开、污染问题可能较搅拌子而言更为严重。
图5 PTFE搅拌子会在使用中逐渐产生裂痕，并吸附金属离子，最终生长为具有催化活性的搅拌子。
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如何应对这一问题恐怕需要不少的努力。首先可以明确的是，以后许多新催化剂的报道都需要用全新的搅拌子做对照组来进行反应或合成材料。有机化学中的核磁共振技术可以用来鉴别物质中元素的化学环境，但杂质的干扰往往无处不在。因此每一个做核磁共振的研究人员手边都有一张常见杂质信号位置表，其中除了常见的溶剂信号之外，甚至包含了可能在实验中用到的硅油、润滑油等物质的信号位置，以此来帮助研究人员快速指认杂质。是否可以发明类似的技术来指认不同物质所引发的催化活性，或是找到替代PTFE的搅拌子/反应釜材料，亦或是开发新型的表面清洗技术？
然而如果从另一个角度来看“搅拌子危机”，搅拌子带来的“假阳性”可能不仅仅是科学家们的困扰，更可能是学者们新的机遇：除了全新的实验方法需要设计之外，在基于搅拌子、反应釜内胆、微型反应器上固载催化剂或直接合成催化剂，也许会成为新一代高效催化反应的研究热点。
事实上，根据Pentsak等人的研究，搅拌子逐渐转化为“具有催化活性”的搅拌子并非偶然。搅拌子在使用过程中，不可避免地会被刮伤或者被逐渐降解，此时在搅拌子工作体系中的金属离子则可能以多种形态被吸附至搅拌子的PTFE缺陷位。这些缺陷包括F原子脱离所产生的自由基（带有单电子的碳原子）和 C=C 不饱和键等。与全新的搅拌子相比，具有缺陷的（用过的）搅拌子对携带正电荷的金属离子产生的吸附作用更为强烈。被吸附的金属离子会逐渐转化为晶核，并最终转化为具有优秀催化性能的纳米金属颗粒。这些颗粒很难被传统方法清洗干净，从而在后续的使用中持久而高效地催化反应进行。
而在Pentsak的工作之前，早在1992年，已经有科学家意识到搅拌子的PTFE涂层可以对实验进行带来一些有益的影响。美国南密西西比大学的Pojman等人在研究化学中著名的B-Z振荡反应（Belousov-Zhabotinskii Oscillation Reaction）时发现PTFE搅拌子可以起到加速振荡反应产生的效果[5]。振荡反应是化学家在分子级别的钟表，依靠多个化学反应的依存-转化关系使得溶液产生周期性的变化，因此其引发和维持往往需要足够精准的物料控制。Pojman等参考了Nagy和Bazsa对搅拌子PTFE表面失效的研究工作[2]，注意到PTFE对溴单质分子（Br2）具有一定的吸附作用，而这对 B-Z 振荡反应至关重要。以Pojman研究的锰催化体系为例，振荡反应需要依赖下述反应（1）来进行引发，而反应（1）的进行则需要Br-离子浓度低于某个临界值。与此同时，反应（2）所示的平衡反应在整个反应体系一直可以保持。因此如果搅拌子可以吸收足够的Br2，即将Br2带离反应体系，那么按照化学平衡移动的原理，反应（2）将会不断地被拉动至右侧，从而降低整个体系的Br-浓度，从而最终导致反应（1）的成功引发。
除了利用PTFE搅拌子对卤素单质的吸附作用来拉动化学平衡之外，科学家们也改造了搅拌子，将其惰性的PTFE表面增加功能，成为非均相的催化反应界面。现代化学与化工中被广泛应用的催化剂可以粗略地分为两类：（1）均相催化剂——可以溶于反应体系的催化剂，（2）非均相催化剂——不溶于反应体系的催化剂。无论何种催化剂，在实际应用中都会遇到难以回收利用和形貌在反应中丧失等难题。因此将高性能催化剂固定在稳定的载体上，成为众多研究人员选择的一条解决路线。得益于多数科学家们对PTFE稳定性的乐观看法，有学者开始将PTFE搅拌子作为催化剂载体来实施非均相催化反应——毕竟PTFE性质稳定、价格低廉、耐酸耐碱，而且传统的清洗方法不会将负载的Rh等催化颗粒清洗掉，从而延长了催化材料的使用寿命[6][7]。而这正与Pentsak所报道的搅拌子中污染的金属粒子难以清除不谋而合。
图6 将纳米催化剂负载在搅拌子上，就可以获得长寿命、高性能的具有催化活性的搅拌子[7]。
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化学家可能是最乐观的一群人，他们喜欢提出问题，解决问题，并进一步地把问题变为出路。小搅拌子也许正在摧毁他们的研究，但为了克服搅拌子带来的困扰，正好可以发展新的实验策略和材料构建体系，使困境转化为新的出路。每一个化学反应、化学物质都有它存在的价值，发现和创造新的反应与物质，并将它们应用于合适的地方，人类的生活也因此变得更加美好。
“呲……”这是蛋液倒入不粘锅中与热油接触所发出的声音。尽管人们对不粘锅烹饪出的食品的口味充满着不信任，但基于PTFE涂层的不粘锅依然在世界各地的厨房中被广泛使用。“你永远不可能用不粘锅做出来一份完美的炒饭”，在重庆某夜市贩卖地沟油炒饭十余年的摊主李美荣总在念叨这句至理名言，“因为你不知道不粘锅涂层里头到底有啥子东西”。
可是，也许增加了催化剂的不粘锅做的炒饭真的挺好吃呢？
参考文献
[1] Plunkett R J. Tetrafluoroethylene polymers: U.S. Patent 2,230,654[P]. 1941-2-4.
[2] Nagy I P, Bazsa G. Artifacts caused by plastics in chemical experiments: Absorption, degradation, catalysis and irreproducible behavior[J]. Reaction kinetics and catalysis letters, 1991, 45(1): 15-25.
[3] Pentsak E O, Eremin D B, Gordeev E G, et al. Phantom Reactivity in Organic and Catalytic Reactions as a Consequence of Microscale Destruction and Contamination-Trapping Effects of Magnetic Stir Bars[J]. ACS Catalysis, 2019, 9: 3070-3081.
[4] Hidden flaws in common piece of lab kit could botch experiments. https://www.nature.com/articles/d41586-019-00980-7
[5] Pojman J A, Dedeaux H, Fortenberry D. Surface-induced stirring effects in the manganese-catalyzed Belousov-Zhabotinskii reaction with a mixed hypophosphite/acetone substrate in a batch reactor[J]. The Journal of Physical Chemistry, 1992, 96(18): 7331-7333.
[6] Vollmer C, Schröder M, Thomann Y, et al. Turning Teflon-coated magnetic stirring bars to catalyst systems with metal nanoparticle trace deposits–A caveat and a chance[J]. Applied Catalysis A: General, 2012, 425: 178-183.
[7] Han G, Li X, Li J, et al. Special Magnetic Catalyst with Lignin-Reduced Au–Pd Nanoalloy[J]. ACS Omega, 2017, 2(8): 4938-4945.