异性相吸同性相斥原理(异性相吸是什么意思)

新疆和青海交界处有一条狭长的山谷。当地牧民称其为“魔鬼谷”。这是因为那里更“神奇”。山谷中时常电闪雷鸣，狂风大作。人和动物经常被闪电击中。但奇怪的是，山谷里植被茂盛，四季如春。

虽然这是一件奇怪的事情，但也可以用科学原理来解释。大家可能听说过“雷雨带来庄稼”这句谚语，意思是雷电给土地带来了宝贵的养分，给庄稼施肥。具体来说，当雷击时，由于雷电的催化作用，空气中的氧气和氮气发生反应，形成氮氧化物。氮氧化物与雨水反应形成硝酸，然后与土壤中的矿物质反应形成硝酸。盐和硝酸盐可用作农作物生长的肥料。

图1“雷暴影响农作物”（图片来自网络）

这些“从天而降”的珍贵肥料，都源自一种熟悉的元素，——氮。我们知道氮气无处不在，例如空气中氮气占78%。然而，氮中的氮不能直接被植物利用。这些游离氮元素需要转化为可用的氮化合物。这个过程称为“固氮”。

图2自然界的氮循环（图片来自网络）

自然固氮：要么借助闪电，要么求助微生物

固氮分为自然固氮和人工固氮。自然固氮可分为两种类型，即高能固氮和生物固氮。

高能固氮就是文章开头提到的“雷暴作物”。它利用闪电的巨大能量，最终将大气中的氮转化为硝酸盐肥料。

生物固氮依赖于固氮微生物的帮助。例如，豆科植物的根瘤菌、牧草等禾本科作物根部的固氮螺杆菌以及一些原核低等植物都含有可以“固氮”的酶。这些酶吸收大气中的氮分子并将其转化为氨和铵离子。

图3生物固氮（图片来自网络）

传统工业合成氨耗能大

但自然固氮效率较低，远远不能满足人口增长和社会发展的需要。为此，科学家们探索了数百年，直到20世纪初才发现了人工固氮方法。德国化学家哈伯首次由氢和氮合成氨，为大规模工业合成氮肥奠定了基础。1918年，哈伯获得诺贝尔化学奖。

图4哈伯（图片来自网络）

人工固氮最常用的方法是工业氨合成法，即“哈伯-博世法”。但该方法的反应条件需要在高温高压下进行，并且需要催化剂。这一过程消耗大量能源，年均能源消耗量约占世界能源消耗总量的1%~2%。而且该方法需要高纯氢气作为原料，而高纯氢气一般由化石燃料转化而来。该过程将排放大量二氧化碳温室气体，约占全球每年温室气体排放量的1.5%。

电化学固氮：催化剂很重要

那么，有没有一种清洁、高效、可持续的方法来替代传统的工业氨合成技术呢？有！电催化固氮。电催化固氮理论上可以在常温常压下合成氨，以水和氮气为原料。它被认为是最有希望替代工业氨合成的技术之一。

图5电催化固氮（图片来自文献：ElectrochimicaActa,2018,284:392-399.）

然而，不要高兴得太早，因为从理论到实践并不是那么一帆风顺。电化学固氮面临的一个主要挑战是其效率太低。氮气在常温常压下很难活化。氮和氢之间的反应在动力学上是困难的。此外，电催化制氢和氮还原的潜力非常接近。作为一种竞争性反应，电催化制氢将严重制约氮还原制氨。效率。因此，寻找考虑并平衡氮活化和产氢竞争反应的电化学固氮催化剂显得尤为重要。

一旦我们找到了合适的催化剂，是不是所有的问题都能迎刃而解呢？事情没那么简单！二硫化钼是良好的催化剂。然而，其电催化氮还原效率仍然太低，主要是因为其催化制氢反应的活性会显着抑制氮还原反应活性。

图6竞争反应（图片来自网络）

异性相吸，催化剂“配对”

近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所开展了二硫化钼作为催化剂的研究。

二硫化钼能产生氢活性主要是由于其中的硫位点。研究人员设想，如果采用某种方法抑制硫位点的产氢活性，竞争反应可能会偏向于固氮反应。怎么抑制呢？也许你可以考虑“同性相斥，异性相吸”的做法。

二硫化钼中的硫位点带负电，因此研究人员使用带正电的含锂电解质将其“配对”。含锂电解液与二硫化钼的硫位点形成强烈的锂硫相互作用，不仅抑制了硫位点的产氢活性，而且提高了二硫化钼位点吸附和活化氮气的能力。与未“配对”的电催化氮还原反应系统相比，产氨效率和法拉第效率分别提高了8倍和18倍，大大提高了二硫化钼催化剂的电催化产氨性能。

图7催化剂合成、形貌表征、性能测试等

该研究工作利用电解质与催化剂界面的相互作用，大幅提高电催化制氨效率，为常温常压下电催化合成氨技术的未来发展提供新的思路和思路。研究成果发表在期刊《先进能源材料》上。（

副词。能源材料.2019，DOI:

https://doi.org/10.1002/aenm.201803935)来源：中国科学院合肥物质科学研究院

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