高手论道丨微观催化如何玩转中庸之道

原标题：高手论道丨微观催化如何玩转中庸之道？


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高手论道，在于深入浅出，能将科研和文学如此融合讲解的，小编还是第一次见。

电化学反应专家重庆大学化学化工学院院长魏子栋教授就从孔子与他的学生对话开始，讲了个著名的"中庸"老故事，结合3个有"中庸"味道"催化"案例，写了这篇随想。

"中庸"是传统的中国智慧，由孔子提出，不断被他的追随者丰富。"中庸 "追求在各种矛盾中寻求平衡，并认为"过分"和"不及"都是不好的。对于一个成功的催化剂，反应物的吸附，既不能太强，也不能太弱。在这一点上，"催化"与"中庸"有极为相似之处。

孔子的学生子贡问孔子:"子张和子夏哪一个贤一些？"孔子回答说:"子张过分;子夏不够."子贡问:"那么是子张贤一些吗？"孔子说："过分与不够是一样的。"这一段话说明，"过分"和"不及"貌似不同，其实都不好，都不符合中庸之道。中庸的要求是恰到好处，如宋玉笔下的美人："增之一分则太胖，减之一分则太瘦；著粉则太白，施朱则太赤。" "中庸"不是望文生义的折中、平庸，而是恰到好处，现代意义上的"最优化"。

秦始皇二十六年(公元前221年)，秦国兼并了所有的诸侯国，统一了天下。在秦国统一天下的战争中，王翦战功最大。为破楚国，秦始皇将六十万秦军，几乎是秦国全部的军事力量，交给王翦统帅。这样一支劲旅，完全掌握在王翦的手中，秦始皇着实难以放心，万一王翦起异心，他毫无节制办法。为了消除秦始皇的疑虑，王剪采取了"自污"的方法。王剪一而再再而三地向秦始皇请求赏赐，真正意图是向秦始皇表明自己只是一个贪图小利而没有远大志向的人。王剪通过降低自己追求品味的方法消除了自己的圣人光环，打消了秦始皇的疑虑，也为自己消除了后顾之忧。这样，王翦就可以放开手脚与楚国作战，终于消灭了楚国。王剪的这套处世理论，让无数后人顶礼膜拜，亦步亦趋。这些后世人中， 就有汉初三杰之一的一代名相萧何。萧何经随从点拨，完全照搬了王剪的处世之法，打消了刘邦对自己图谋称王的疑虑得以善终自保。俗话说 "男人不坏，女人不爱"，其实丞相不坏，皇帝也不爱。自公元前134 年，刘邦的玄孙汉武皇帝刘彻接受董仲舒 "罢黜百家，独尊儒术"，到晚清名臣曾文正公，"中庸"之道己了然于胸，运用的也是炉火纯青，出神入化。凭借"养活一团春意思，撑起两根穷骨头"，曾国藩在晚清的政治舞台上，长袖善舞，游走在"圣人与俗人"之间，收放自如。被后世评价为"立德立功立言三不朽，为师为将为相一完人"。正可谓：花未全开月未圆，正是意境最佳时。

那么，什么是“催化”？

1835年，瑞典化学家berzeliu将"催化剂"定义为"一种能把特定温度下还沉睡着的化学反应唤醒的神奇物质"。这样的概念在当时被用来解释淀粉在酸的作用下转化成糖的过程。1894年，德国化学家ostwald(1909年诺贝尔奖获得者)认为催化反应中的催化剂是一种可以改变化学反应速率，而自己又不存在于产物之中的物质。随着科学研究的深入，现在，人们对催化的认识更加清晰。所谓"催化"，特别是最为常见的异相催化，就是反应物在催化剂表面吸附、结构重组、电荷转移、旧键断裂、新键生成、直到产物脱附的全过程。其中"结构重组、电荷转移、旧键断裂、新键生成"未必每一次催化反应过程都必须经历，有时候可能只是"结构重组"，有时候可能只是"电荷转移"，也可能只是"旧键断裂"，也可能是"结构重组"和"电荷转移"，也可能是"旧键断裂"和"新键生成"。然而，无论何种情况，"反应物吸附"和"产物脱附"始终是催化反应过程不可或缺的开始步骤和终了步骤。而且吸附的强弱，决定了"结构重组、电荷转移、旧键断裂、新键生成、产物脱附"的效率，也就是催化的效率。

事实上，如果没有反应物与催化剂的强相互作用，反应物很难实现"结构重组、电荷转移、旧键断裂"，或者说，很难高效地完成这些任务。然而，如果反应物与催化剂的相互作用太强，往往意味着产物的脱附变得异常困难。催化剂如果不能及时地释放新鲜表面(活性位)，催化剂也就失去了催化活性。

那么，催化剂表面反应物的吸附到底是越强越好呢? 还是越弱越好呢? 这种纠结， 恰似姚燧"凭阑人·寄征衣"描述的妻子给丈夫寄征衣时的复杂心情。"欲寄君衣君不还，不寄君衣恐君寒。寄与不寄间，妾身千万难." 寄好? 还是不寄好? 对有情人，还真是难啊!



图1 a. 铂基催化剂的催化orr活性与原子氧吸附强度关系；

b.电化学析氢的交换电流与金属-氢键键强关系

图1a显示，最有效的氧还原反应(orr)铂基催化剂是与中间物种吸附强度既不太强也不太弱的催化剂。对电化学催化析氢的效率，与氢原子在催化剂表面吸附强度之间也有类似的火山型特征(图1b)，即与反应物的吸附强度既不太强也不太弱的催化剂是最高效的催化剂.



图 2 如何掰断塑料哑铃

图2是如何高效地掰断塑料哑铃的示意图. 图 2a 显示，小绿人力气太小，不足以掰断哑铃 ;图2b显示，莽汉力气太大，很容易掰断哑铃，但却死死抓住不肯放手，因而无法持续不停地掰断哑铃；图2c显示，那两个成年人用以掰断哑铃的力气正好，且懂得及时释放，因而掰断哑铃的效率最高。图2与图1虽然所指不同，却有异曲同工之妙。图2a' 通过增加1个小绿人，掰断了哑铃，类似于催化中的双功能催化剂；图2b'通过让小朋友对莽汉挠痒痒分散其注意力而释放哑铃，与文献报道的"通过削弱co吸附强度达到增强甲醇氧化效率"的意境不谋而合。

见惯了"催化"中的"中庸"，让我们追求一下有"中庸"味道的"催化"。



图3 晶石结构八面体位上的异化效应和原子的极化，以及尖晶石结构的晶格间距和费米能级与氧还原的关系图(fe: 绿色；co:蓝色；;吸附氧:紫红色；晶格氧:红色)

图3 是作者通过调节尖晶石中八面体体心位铁原子的浓度(从无到有)，尖晶石结构经历了"正尖晶石-反尖晶石-正尖晶石"的结构循环，以及相应的orr反应活性。从图3中可以看到，orr活性最高的是具有反尖晶石结构的 coii(feco)iiio4，其费米能级(与氧吸附强度高度相关)和晶格间距(与活性位点的距离密切相关)分别为:-0.7521ev和0.8326 nm，正好处于两个正尖晶石结构 coiico2iiio4和coiife2ii

io4的费米能级(-0.4716 ev，-0.8516 ev)和晶格间距(0.8080 nm，0.8364 nm) 的中间。意味着其费米能级不高也不低，晶格间距不短也不长，中庸味道十足，其氧还原催化活性也最高。居于八面体体心的fe原子和co原子因电负性的差异，彼此电荷转移极化，使得fe原子荷负电，co原子荷正电，形成阴阳调和的局面，十分有利于o-o键的活化。相反，当尖晶石的八面体体心为同一种原子时，因为没有这种 "异化效应"，所以比反尖晶石结构弱了些许催化效果。(负阴而抱阳，似乎又有了"太极"的味道！ ) 如此看来，"催化"中不仅有"中庸"，而且还有"太极"。

在结束本文之前，让我们为前朝的寄征衣女子出个有"中庸"味道的主意：征衣当寄还须寄，太薄君会寒，太厚君不还；不薄不厚，君会常念家乡的桃花源。且拒还迎，却是最佳分寸。

【作者简介】

魏子栋，男，教授，博士，材料物理与化学方向博士生导师，重庆大学化学化工学院副院长。长期致力于氢能与燃料电池核心科学问题和关键技术研究，主要学术贡献：提出并从理论上确定“碳表面m元素对pt的锚定效应”理论；建立了表征气体多孔电极微时空尺度内物质传递与电化学反应及耦合规律的数学模型，发现三相界面与电极电位赖关系；提出pemfc团簇模型，发现催化层有效通道数与组成之间的非平衡耗散结构特征；建立了描述甲醇电化学氧化过程电位振荡的非线性动力学模型，在国际上首次阐明甲醇电化学氧化时出现的电位振荡的根源在于电极电位对co和含氧物种所参与的电化学反应和化学反应的耦合反馈作用；发明有序化抗溺水气体多孔电极及核/壳结构燃料电池催化剂。

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