化工 “新三传” 理论兴起电子质子分子传递助力绿色催化

化工工程师 2025-12-11

天津大学姜忠义、石家福团队在《化工学报》系统阐释化工 “新三传”（电子、质子、分子传递）理论，其核心机制适配光 / 电催化、生物催化等前沿领域。该理论通过单独优化与协同强化策略，已在制氢、CO₂还原等多场景落地，为化工绿色高端转型提供关键学术支撑。

在化学工业迈向绿色化、高端化、智能化的今天，传统的“三传一反”理论（动量、热量、质量传递 + 反应动力学）仍是我们理解反应器与工艺的基石。然而，随着光电催化、生物制造等前沿领域的兴起，电子传递、质子传递与分子传递作为三类关键的微观传递现象，其重要性日益凸显。天津大学姜忠义、石家福团队在《化工学报》发表的文章，系统梳理了电子、质子、分子传递的核心机制、应用场景与强化策略，为绿色催化与高效反应设计提供了关键学术参考，尤其对光 / 电催化、生物催化等前沿方向具有重要指导意义。

DOI：10.11949/0438-1157.20240133

从经典的“三传一反”到“新三传”

经典“三传一反”以反应动力学为核心，结合动量传递、热量传递、质量传递等过程，揭示物质与能量传递过程对化学反应的影响机制。通过调控其能实现物质传递与能量转化过程的高度耦合，进而实现化学反应过程的高效强化。

动量传递主要指流体输送、过滤、沉降、固体流态化等流体动力学，主要采用牛顿黏性定律描述其间的流体动力学行为，如式（1）所示；
热量传递主要指加热、冷却、蒸发、冷凝等热量交换过程，主要采用傅里叶定律描述能量传递行为，如式（2）所示；
质量传递主要指蒸馏、吸收、萃取、干燥等分离过程和多相反应过程的物质传递，主要采用菲克定律描述物质传递行为，如式（3）所示。

随着化学、材料、物理和生物等学科的融入，赋予了化工反应过程很多新内涵和新特征。例如，在光/电催化反应、生物催化反应等过程中，普遍存在着多种形式的物质与能量传递现象，其无法直接沿用经典“三传”理论来进行理解和分析，如：在光/电催化反应过程中，涉及光子、电子、空穴、分子、界面和体相传递等现象；在生物催化反应过程中，涉及电子、质子、分子传递等现象。在这些情况下，能量与物质的转化直接依赖于电子、质子与分子的高效传递：

电子传递：是能量输入的载体与反应的驱动力，其传递效率与寿命（时间尺度横跨阿秒至微秒）直接决定催化反应的启动与持续；
质子传递：在许多还原反应（如制氢、固氮、CO₂还原）中是关键的反应物，其传递路径与动力学对反应选择性与法拉第效率至关重要；
分子传递：涉及底物（如N₂、CO₂）与产物在反应界面及孔道内的扩散与输运，尤其在多相催化中，其传质效率往往是反应的决速步。

“新三传”的关键应用：覆盖多领域的绿色化学反应

这三类传递的协同强化已成为多领域催化反应的核心突破口，包括：

光/电催化领域：在制氢、CO₂还原、合成氨等反应中，通过构建异质结抑制电子—空穴复合、设计质子传递通道、优化气液固三相界面等策略，大幅提升反应效率。例如，Bi₄O₅Br₂/ZIF-8 复合催化剂通过亲水 - 疏水结构设计，让 N₂直接从气相传递至反应界面，光催化合成氨速率显著提升；
生物催化领域：通过优化光催化剂与酶的接触界面、强化辅酶再生、构建质子交换膜等方式，实现 CO₂转化、生物固氮等绿色合成。如固氮酶—CdS 纳米棒杂化系统，通过增加接触面积提升电子传递通量，实现无 ATP 依赖的高效光驱动固氮；
环境与能源领域：用于微塑料降解（Mn@NCNTs 纳米复合材料通过促进电子传递产生活性氧）、H₂O₂绿色合成（固体电解质材料强化质子与分子传递）、燃料电池性能优化（杂化膜调控质子 - 电子传递匹配性）等。

强化策略与典型案例

提升三类传递效率的核心思路的是 “单独优化 + 协同匹配”。

电子传递强化：构建异质结 / 肖特基结（抑制载流子复合）、引入缺陷位点（增加活性中心）、负载助催化剂、元素掺杂（优化电子结构）等，减少电子传递阻力与复合损耗；
质子传递强化：设计质子传递位点（如磺酸基、氢键网络）、引入质子载体（如磷盐 [P₆,₆,₆,₁₄] 实现质子全循环）、原位产质子（光解水供质子）等，缩短质子迁移距离；
分子传递强化：调控催化剂表界面性质（亲水 / 疏水）、优化孔道结构（缩短传质距离）、构建三相界面（跳过液相扩散步骤），实现反应物富集与产物快速脱附；
协同强化：借鉴生物膜的 “隔室化” 设计，如 Misawa 等构建 Au-NPs/Nb-SrTiO₃/Zr/ZrOₓ三明治光电极，统筹电子分离、N₂吸附与质子结合，实现氨的高效合成。