地核里的神秘物质，竟能帮人类省20%能源！

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这些奇特的化学物质或许能够解释为何地球在某些元素方面似乎存在“匮乏”现象——而且它们还可能在催化剂等领域发挥重要作用。

近一个世纪以来，地球科学家一直在思考一个谜团：地球上的轻元素都去了哪里？与太阳以及某些陨石中的含量相比，地球上的氢、碳、氮和硫，以及氦等稀有气体的含量都明显更低——某些元素甚至少了 99% 以上。

部分差异可以用地球形成过程中向太阳系空间的损失来解释。但长期以来，研究人员怀疑，还有其他机制在起作用。

最近，一支科学家团队提出了一种可能的解释——这些元素或许隐藏在地球坚固的内核深处。在高达360吉帕（约为大气压的360万倍）的极端压力条件下，铁的行为变得异常，转变为一种电子化合物（electride）：一种鲜为人知的金属形态，能够吸纳轻元素。

该研究的共同作者、来自上海高压科学与技术先进研究中心（Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research）的固体物理学家金德永（Duck Young Kim）表示，这些轻元素的吸收过程可能在数十亿年间逐渐发生——而且可能至今仍在持续。这将解释为何地震波穿过地球时所反映出的内核密度比纯金属情况下预期的数值低5%至8%。

电子化合物如今正迎来属于它们的时代。从多个方面来看，它们不仅可能帮助解决行星科学中的谜团，如今还可以在室温和常压条件下由多种元素制备。而且，由于所有电子化合物都含有易于向其他分子提供的活性电子，它们成为了理想的催化剂以及功能材料来帮助推进困难的化学反应。

目前已有一种电子化合物被用于催化氨的生产——氨是化肥的关键成分；其日本开发者声称，该工艺比传统制氨方法节能20%。与此同时，化学家们也在发现新的电子化合物，有望带来更廉价、更环保的制药方法。

当今的挑战在于寻找更多这类极具潜力的材料，并理解控制它们形成的化学规律。

位于德国路德维希港（Ludwigshafen）的氨生产工厂已运行超过一个世纪。它是首个采用哈柏-博施工艺（Haber-Bosch process）的工厂，该工艺为其发明者弗里茨·哈柏（Fritz Haber）和卡尔·博施（Carl Bosch）赢得了诺贝尔奖。如今，包括巴斯夫公司（BASF）运营的这座工厂在内的多家工厂，正寻求更加可再生的制氨方式。

高压下的电子化合物

大多数固体由有序排列的原子晶格构成，而电子化合物则不同。它们的晶格中存在一些小“口袋”，电子独自占据其中。

普通金属具有不固定于单个原子的电子。这些是外层电子或价电子，它们可以在原子之间自由移动，形成所谓的“电子海”。这解释了金属为何能够导电。

而在电子化合物中，外层电子同样不再围绕某一特定原子轨道运行，但它们也不能自由移动。相反，它们被困在原子之间被称为非核吸引子（non-nuclear attractor）的位置。这赋予了材料独特的性质。在地核铁的情况下，负电荷电子在超高压力（相当于最深海底压力的3000倍）下形成的非核吸引子位置上稳定轻元素。这些轻元素会扩散进入金属内部，从而解释其在地表丰度降低的现象。

3000 开尔文（约 2727 摄氏度）温度下、100 吉帕（GPa）和 300 吉帕压力条件下，氢原子（粉色）进入铁晶格结构的运动

在一项实验中，科学家模拟了在 3000 开尔文（约 2727 摄氏度）温度下、100 吉帕（GPa）和 300 吉帕压力条件下，氢原子（粉色）进入铁晶格结构的运动。在更高压力（上图）下，会形成电子化合物，这一点可以通过铁晶格内部氢分布的改变看出——这些位置代表带负电的非核吸引子位点，氢原子在此结合形成氢化物离子。金德勇及其合作者认为，在模拟中观察到的高压下氢分布变化，是地球内核铁中形成具有非核吸引子位点的电子化合物的有力证据。

2009年，科学家发现首个能够在高压下形成电子化合物的金属是钠（sodium）。在 200 吉帕（约为大气压的 200 万倍）压力下，钠会从一种有光泽、可反射、可导电的金属，转变为一种透明、玻璃状、绝缘的材料。

英国剑桥大学（University of Cambridge）的计算与理论化学家斯特凡诺·拉乔皮（Stefano Racioppi）表示这一发现“非常奇怪”。他曾在纽约州布法罗大学（University at Buffalo）伊娃·祖雷克（Eva Zurek）的实验室研究钠电子化合物。他指出，早期理论曾预测，在高压下钠的外层电子会在原子之间更加自由地移动。

这一认知最早的转变，出现在 20 世纪90 年代末。当时科学家利用基于量子理论（quantum theory）规则的计算机模拟来建模固体结构。这些规则定义了电子可能具有的能级，以及电子在原子中可能出现的位置范围（即原子轨道）。

对固态钠的模拟表明，在高压下，随着钠原子被压得更近，围绕每个原子的电子也被压缩在更小空间中。这导致电子之间的排斥力不断增强。这种变化改变了每个原子核周围所有电子的相对能量，从而导致电子位置的重新组织。

结果是，电子不再占据允许其离域并在原子之间自由移动的轨道，而是形成新的轨道形态，迫使电子重新局域化于非核吸引子位点。由于电子被困在这些位点上，固体失去了其金属性。

在这些理论工作的基础上，拉乔皮和祖雷克与爱丁堡大学（University of Edinburgh）的研究人员合作，在极端压力下寻找钠电子化合物的实验依据。他们将钠晶体夹在两颗金刚石之间进行压缩，并利用 X 射线衍射绘制金属结构中的电子密度分布。他们在 2025 年 9 月报告称，这项实验确认电子确实位于预测的、位于钠原子之间的非核吸引子位点。

金属结构的不同模型

这幅图展示了金属结构的不同模型。左侧为常温常压条件下的结构，每一个蓝色圆圈代表金属晶格中的一个原子，该原子由带正电的原子核及其周围的电子组成。电子可以在整个晶格中自由移动，这种状态被称为“电子海”。早期关于高压下金属的理论认为其结构与此类似，只是金属性更强（右上图）。然而，较新的模型表明，在某些金属（例如钠）中，在高压条件下结构会发生变化（右下图），转变为一种电子局域化的体系（深蓝色方框所示），电子分布在离子核（浅蓝色小圆圈）之间——这种结构称为电子化合物。这种结构赋予材料截然不同的物理性质。

电子化合物正是理想的催化材料

电子化合物是理想的催化剂候选材料——催化剂能够加速化学反应并降低反应所需活化能量。这是因为位于非核吸引子位点的孤立电子可以被提供出去，从而帮助形成和断裂化学键。但若要实际应用，这类材料必须能够在常温常压条件下稳定存在。

过去 10 年中，人们已发现若干种在常温条件下稳定的电子化合物，这些材料由无机化合物或含金属原子的有机分子构成。其中最重要的一种是“钙铝石”（mayenite）。2003 年，东京科学研究所（Institute of Science Tokyo）的材料科学家细野秀雄（Hideo Hosono）在研究一种水泥材料时意外发现了它。

钙铝石是一种钙铝氧化物晶体，其结构中存在非常小的孔隙——直径仅数纳米——称为“笼状结构”，其中包含氧离子。若在高温下让钙或钛的金属蒸气通过该材料，会将氧去除，留下被困在这些位置上的电子——从而形成电子化合物。

与在高压下由导体转变为绝缘体的金属电子化合物不同，钙铝石起初是绝缘体。但形成电子化合物后其被困的电子可以通过量子隧穿在笼状位点之间跃迁，使其成为导体——尽管其导电性比铝或银等金属低100到1000倍。同时，它也成为一种优良催化剂，能够提供电子以帮助化学键的断裂与形成。

到 2011 年，细野开始开发钙铝石作为一种更环保、更高效的氨合成催化剂。目前全球每年通过哈柏-博施工艺生产超过 1.7 亿吨氨，主要用于肥料生产。该工艺利用金属氧化物催化剂，在高温高压下促使氢气和氮气发生反应。这一过程能耗巨大，成本高昂——全球约 2% 的能源消耗用于哈柏-博施工厂。

在哈柏-博施工艺中，催化剂将氢气和氮气吸附在表面，并提供电子帮助断裂氮分子中两个氮原子之间的强三键，以及氢分子中的化学键。由于钙铝石具有强电子供给能力，细野认为它能够更高效地完成这一过程。

在细野的体系中，钙铝石本身并不直接吸附气体，而是作为一种金属——钌（ruthenium）纳米颗粒的载体。首先，钌纳米颗粒吸附氮气和氢气。随后，钙铝石向钌提供电子。这些电子流入氮和氢分子，使其键更容易断裂。因此，氨可以在更低温度（300–400 ℃）和更低压力（50–80 个大气压）下生成，而传统哈柏-博施工艺则需要 400–500 ℃ 和100–400 个大气压。

使用由金属钌与钙铝石（稳定的电子化合物）组成的催化剂合成氨（NH₃）时提出的反应机理

这幅图展示了在使用由金属钌与钙铝石（稳定的电子化合物）组成的催化剂合成氨（NH₃）时所提出的反应机理。钙铝石具有很强的电子供给能力（左图），这使得氮分子更容易解离，并使氮原子更容易吸附在钌表面。同时，氢可以储存在钙铝石的笼状结构中（左下图），这些笼腔中存在带负电的电子。氢可以在不同笼腔之间迁移，并释放到钌表面与氮发生反应。这些过程提高了氨生成的效率。

2017 年，细野的催化剂被商业化，公司 Tsubame BHB 成立。2019 年建成首个试点工厂，年产氨 20 吨。此后，该公司在日本建立了更大型设施，并在巴西建设一座年产 2 万吨的绿色氨工厂，以替代部分基于化石燃料的肥料生产。公司估计，这将每年减少 1.1 万吨二氧化碳排放，相当于约 2400 辆汽车的年度排放量。

钙铝石催化剂还有其他应用，例如以更低能耗将 CO₂转化为甲烷、甲醇或更长链烃类化合物。此外，科学家还提出，其笼状结构可能适用于核电站中放射性同位素废物的固化处理：电子可以捕获碘离子、溴离子等负离子，并将其困在笼内。

钙铝石甚至被研究用于低温卫星推进系统。当在真空中加热至 600 ℃ 时，其被困电子会从笼状结构中喷射出来，产生推进力。

有机电子化合物

已知能够形成电子化合物的材料种类仍在不断增加。2024 年，英国莱斯特大学（University of Leicester）的化学家法布里齐奥·奥尔图（Fabrizio Ortu）领导的团队，意外发现了一种在室温下稳定的电子化合物，该材料由钙离子和大型有机分子组成，整体称为配位络合物（coordination complex）。

他使用的是机械化学方法——“把物质放入研磨罐中，高速震荡，通过机械能驱动反应。”但令他惊讶的是，加入的钾提供的电子并未转移到钙离子上。相反，形成的结构中电子以局域化形式存在于体系中，被困在两个金属之间的位置。

与钙铝石不同，这种电子化合物不是导体——其电子不会跳跃。但它可以通过激活不活泼的化学键来促进原本难以启动的反应，发挥类似催化剂的作用。这类反应目前通常依赖昂贵的钯催化剂。

研究人员成功利用这种电子化合物促进两个吡啶环的偶联反应。他们目前正在研究其是否可以促进其他常见有机反应，例如在苯环上进行氢原子取代。这种反应困难，是因为苯环碳-氢键非常稳定。

不过仍存在亟待解决的问题：奥尔图的钙电子化合物对空气和水过于敏感，不适合工业应用。他正在寻找更稳定的替代物，这在制药工业中可能特别有价值，因为他所展示的反应类型在药物分子合成中十分常见。

地核中的疑问仍未解答

关于电子化合物仍有许多未解之谜，包括地球内核是否确实包含这种物质。金德永的团队利用铁晶格模拟寻找非核吸引子位点的证据，但其结果解释仍“存在一定争议”。

元素周期表第一主族和第二主族金属（如锂、钙、镁）具有较松散的外层电子，这使电子更容易转移至非核吸引子位点，从而形成电子化合物。但铁对其外层电子的吸引更强，且电子轨道形状不同，因此在高压下电子排斥增强效应较小，使得形成电子化合物更加困难。

特拉维夫大学（Tel Aviv University）的计算材料科学家李·伯顿（Lee Burton）表示，电子化合物仍然鲜为人知，也缺乏系统研究。目前还没有理论或模型能够预测何时材料会形成电子化合物。“因为电子化合物在化学上并不典型，你无法依靠传统化学直觉来判断。”

伯顿通过筛选 4 万种已知材料寻找预测规则，并取得了一定成功。他目前正在利用人工智能寻找更多候选材料。他表示：“电子化合物的形成是不同性质之间存在复杂的相互作用德结果，而且往往彼此关联。这正是机器学习能够发挥作用的地方。”

研究的关键在于拥有可靠数据来训练模型。目前实验确认的电子化合物结构数量仍然有限。伯顿团队正在利用基于量子理论的电子密度模拟，对尽可能多的材料进行高分辨率计算。那些得到实验验证的材料将用于训练人工智能模型，以识别更多具有离散高电子密度局域区域特征的潜在电子化合物。伯顿说，“这种材料的潜力是巨大的。”

作者：Rachel Brazil

翻译：Aegon

审校：姬子隰

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编辑：姬子隰

翻译内容仅代表作者观点

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