用“膜”力破解世界难题！科学家实现氘代技术革新，成本直降80%

近日，中国科学技术大学徐铜文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授团队发表了一项令人振奋的成果：利用双极膜技术，实现了氘代酸和氘代碱的高效制备，并将这两种物质的生产成本大幅降低了80%，有效破解了氘代物规模化生产的效率和成本瓶颈。那么，氘代酸和氘代碱究竟是什么？它们有哪些应用价值？又为何比黄金还昂贵？这一切，都要从一种叫做“氘”的神秘物质说起。

“氘”是什么？——氢的“重量级”兄弟

我们都知道氢元素，它是宇宙中最轻、最丰富的元素。但你可能不知道，氢元素有三种同位素，即氕（piē）、氘（dāo）、氚（chuān），分别对应¹H、²H和³H。

氕、氘、氚原子结构示意图

（图片来源：作者）

氕：原子核内仅有一个质子，没有中子。它是三者中最轻的同位素，因此也被称为“轻氢”。氕的原子核结构稳定，无放射性，是氢元素的主要存在形式，占据了自然界氢元素的99.985%。

氘：原子核内有一个质子和一个中子，所以比氕重一些，因此被称作“重氢”。氘的原子核结构稳定，无放射性，但是只占自然界氢元素的极小一部分（约0.015%）。

氚：原子核内有一个质子和两个中子，比氘还要重，因此被称作“超重氢”。氚的的原子核并不稳定，具有放射性，半衰期约为12.4年。氚在自然界中极其稀少，每一百亿亿个氢原子中仅有1个氚原子。

其实，两个中子并不是氢元素的极限，目前已知最重的氢同位素是7H，原子核中足足有六个中子！不过4H~7H均为人造同位素，且半衰期极短，自然界中根本不存在。

所以，自然界中绝大多数物质中的氢元素都以氕的形式存在，无论是构成生命与生态的有机物（如蛋白质、核酸和糖类），还是广泛分布于环境中的无机物（如氢气、水和铵盐），其中的氢元素几乎都是氕，相较而言，氘和氚仅占极小部分。

“氘代”化合物：给分子穿上“重甲”

在日常生活、化学研究或工业应用中，如果没有特别说明，提到的“氢”通常指的就是氕。当含氢化合物中的某些氕原子被氘替换后，就成为了“氘代”化合物。例如由氕组成的水分子质量较轻，被称作“轻水”；当水分子中的两个氕原子均被氘替换时，便成为了“氘代水”，即“重水”；当水分子中仅有一个氕被替换为氘时，便成为了“半氘代水”，即“半重水”。类似的，当水分子中的两个氕原子均被氚替换时，就成为了“氚代水”，即“超重水”。

几种水分子的结构示意图

（图片来源：作者）

氕氘氚都是氢元素，氕通常只有H一种表示方式，而氘、氚既可以用氢元素的符号H统一表示，也可以分别表示为D和T。例如在普通化学实验中，水分子可统一写作H2O；而在需要明确区分同位素的化学反应或核反应方程中，重水和超重水需分别标注为D2O和T2O。

在初高中的化学学习中，我们通常认为，由同一种元素的不同同位素构成的物质，它们的化学性质相同，但物理性质不同。例如重水和超重水的相对分子质量更大，因密度、熔沸点会略高于普通水。

几种水分子的物理性质对比

（图片来源：作者）

但如果往深了探究，同位素物质的化学性质也存在细微差异，这一点在氢的同位素中尤为明显。例如，由于氘原子核的质量约为氕的两倍，因此氘-氧键比氕-氧键具有更大的键能。这种因同位素质量差异导致的化学性质细微不同，被称为“同位素效应”。

由于氘-氧键能更大，氘-氧键形成后会比氕-氧键更为稳定，其断裂会更加困难和缓慢，因此氘代物的化学性质会更为稳定。例如，在相同条件下，轻水中的氢离子（H+）更易解离，因此在轻水溶液中，酸的酸性略强于在重水溶液中，酸碱中和反应的速率也会更快；在电解水的实验中，轻水的氢气产生速率也会略高于重水。

氘代物：从核反应堆到手机屏幕的“全能选手”

氘代物和普通氢化物在理化性质上的差异，在一些对反应条件要求极高的化学反应或核反应中尤为重要。

重水的沸点略高于轻水，且高温下化学性质更为稳定，不易分解或与金属或混凝土等材料发生腐蚀反应，因此常被用作核反应堆的“慢化剂”。由于重水可以将快中子慢化为速度较慢的热中子，且中子损耗低，能够高效维持链式反应，因此重水反应堆可以直接使用天然铀作为核燃料；而轻水反应氢核虽同样能慢化中子，但对中子的吸收能力更强，会造成部分中子损耗，为保障链式反应持续，轻水反应堆需使用低富集铀（3%-5%）以弥补中子损耗。

小型研究型核反应堆CROCUS的堆芯

（图片来源：Wikipedia）

在有机合成中，科学家们可将某个反应位点的氢原子替换为更稳定的氘，然后观察反应速率变化。如果反应速率显著下降，便说明该位点是决定反应速率的关键位点，从而为解析反应机理、明确中间体转化路径提供关键依据。

反之，在药物研发领域，可以将有机物关键位点上的氢原子替换为氘，以减缓药物在体内的氧化、水解等代谢速率，让药效更持久，降低吃药频率，还可以定向控制药物的代谢路径，降低某些副反应的发生速率，减少有毒代谢物的生成。许多精神类药物和抗癌药物都已通过“氘代”的方式，提高疗效的同时还能降低副作用。

氘代抗癌药紫杉醇-D5分子结构示意图

（图片来源：作者）

在有机发光二极管（OLED）屏幕的生产过程中，使用重水、氘代酸或氘代碱作为原料参与反应，能够提高发光材料分子的稳定性，抑制分子的降解或氧化，延长屏幕使用寿命。很多手机厂商的OLED屏幕均用到了氘代材料。

具有柔性OLED屏幕的智能手机

（图片来源：Wikipedia）

需要注意的是，氘代物的稳定性并不总是有益的。例如重水无放射性且无化学毒性，但是氘氧键、氘碳键的稳定性会影响细胞内依赖氢原子参与的所有生理活动，例如降低遗传物质的复制效率、减缓酶促代谢反应、阻碍某些蛋白质的正常合成与折叠，伴随着体内重水比例的提高（超过20-25%），生物会出现体重下降、神经功能异常等症状，严重时会危及生命。不过不用担心，日常饮用水中重水的比例仅为0.015%，会被人体正常代谢，不会对健康产生影响。

另外，由于氘与氕的原子核结构存在差异，因此在核磁共振（NMR）检测中会显示出不同的自旋特性。当重水或其他氘代物进入人体后，会随着生理代谢过程参与各类生化反应，利用核磁共振等技术可以实时、无创地追踪到这些被氘“标记”的分子，了解它们在化学反应在生物体内的分布、转化及积累过程及规律，从而清晰解析特定分子的代谢路径，这在生物学研究中具有重要意义。

在量子化学和核磁共振氢谱等研究中，往往会用高纯度的氘代溶剂（如氘代氯仿CDCl3）替代水溶液，从源头消除普通氢原子带来的背景信号干扰，以精准解析分子的微观结构特征。

某物质在轻水和重水溶液中的核磁共振氢谱对比

（图片来源：文献[1]）

为何分离氘如此艰难又昂贵？

上述场景都必须对反应体系中的氢同位素组成进行精准控制，由此催生了氘代物的分离、纯化、制备等需求。然而，由于氘的天然含量低，且分离提纯的难度极大，因此价格昂贵。国际上，纯度为99.9%的重水价格约为1000美元/千克，部分高纯度氘代试剂（如氘代酸）的价格约为数百至数千元每克，其中氘代十二烷酸-D23的价格达到了15000元每克，远超黄金。

氘代十二烷酸-D23分子结构示意图

（图片来源：文献[1]）

长期以来，氘代物的生产工艺复杂多样，往往需要多步反应，涉及到昂贵的催化剂、苛刻的反应条件、复杂的设备和大量的能耗。而且反应结束后，还需要耗费大量的时间和资源来对目标产物进行分离和提纯，这些问题使得氘代物的价格居高不下，严重制约了氘代物的大规模应用和产业发展。

双极膜是一种离子交换膜，通常由一张阳离子交换膜、一张阴离子交换膜和中间的催化层复合制成，阳膜只允许阳离子（如H+）通过，阴膜则只允许阴离子（如OH-）通过。在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的水分子会解离成氢离子（H+）和氢氧根离子（OH-），阴阳离子分别在电场作用下通过离子交换膜，快速迁移到两侧溶液中，多用于水解离、电化学合成等反应中。中国科学技术大学团队正是在双极膜电渗析法的基础上，成功开发出高效率、低成本制备氘代酸和氘代碱的新方案。

双极膜电渗析法装置示意图

（图片来源：文献[2]）

上图为双极膜电渗析法的装置示意图，在直流电场和催化剂的作用下，重水分子在双极膜中间的催化层中高效解离，产生氘离子（D+）和氘氧根离子（OD−），D+通过阳离子交换膜进入左侧酸室，OD−通过阴离子交换膜进入右侧碱室。

中间盐室为硫酸钾（K2SO4）的重水溶液，在离子交换膜的选择性透过和电场作用下，钾离子（K+）向阴极移动，与OD−在右侧碱室结合生成氘氧化钾（KOD），硫酸根离子（SO42−）向阳极移动，与D+在左侧酸室结合生成氘代硫酸（D2SO4）。另外，该体系还可用于LiOD/DCl和NaOD/DNO3等氘代酸碱的制备。

氘代酸碱生产装置示意图

（图片来源：文献[2]）

该技术仅以廉价的重水和无机盐作为原料，无需额外添加复杂试剂，仅需一步就能在常温常压下生成高浓度的氘代酸和氘代碱。该方法原料价格低、反应能耗低、产物纯度可达99.9%以上，整体生产成本仅为传统工艺的五分之一左右，经济效益突出。并且在整个生产过程仅消耗电能，污染物排放趋近于零，环境友好特性突出。目前，该技术已成功完成年产3吨氘代酸碱的中试放大实验，有望快速实现工业化量产，填补国内高纯度氘代试剂的产能缺口，降低氘代材料的研发与生产成本，让这把迷人的“氘”精准剖开药物研发、屏幕生产等高端领域的壁垒，为我国精细化工与高端制造产业的自主创新注入核心动力。

参考文献：

[1]Yang J., Zhang S., Sun W.,et al.Proton Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy of Active Hydrogen[J]. University Chemistry, 2019, 34(1): 82-88.

[2]Yan J., Jiang C., Zeng X.,et al.Synthesis of deuterated acids and bases using bipolar membranes[J].Nature, 2025, 643, 961–966.

出品：科普中国

作者：梁坤（中国科学技术大学）

监制：中国科普博览