氫負(fù)離子（氫化物 ion），也稱負(fù)氫離子，是由一個(gè)中性氫原子H和一個(gè)電子所組成的松弛體系，即氫原子額外獲得一個(gè)電子，形成了帶負(fù)電的離子，以符號(hào)H-表示。氫負(fù)離子在地球表面常溫常壓條件下極不穩(wěn)定。
氫負(fù)離子僅存在于固體型鹽中，但有的可以熔化，如氫化鋰（LiH），熔融態(tài)可以導(dǎo)電，H-遷移向陽極，放電后釋放出氫氣。氫負(fù)離子在許多科學(xué)過程中扮演重要角色。例如，它活躍于高溫化學(xué)反應(yīng)、星際空間演化以及氫能源技術(shù)（如儲(chǔ)氫、氫負(fù)離子電池）等領(lǐng)域。在自然界中，氫負(fù)離子通常只能在極端環(huán)境中存在，例如恒星大氣內(nèi)部或受控的實(shí)驗(yàn)室裝置里。
1929年，漢斯?貝特（Hans Bethe）首次從理論上證實(shí)了氫負(fù)離子的存在。氫負(fù)離子很特殊，因?yàn)樵谧杂蔂顟B(tài)下它沒有束縛激發(fā)態(tài)，這一點(diǎn)最終在1977年得到了證實(shí)。2025年9月，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出新型氫負(fù)離子原型電池。相關(guān)成果于2025年9月17日發(fā)表在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
發(fā)現(xiàn)歷史
氫負(fù)離子的存在于1929年首次由漢斯?貝特（Hans Bethe）從理論上證實(shí)，他運(yùn)用Hylleraas變分法證明了H?是束縛態(tài)的。他估算其基態(tài)能量為-1.0506里德伯（Ry）（-0.5253哈特里（E?）），低于氫原子的基態(tài)能量（-0.5E?）。氫負(fù)離子很特殊，因?yàn)樵谧杂蔂顟B(tài)下它沒有束縛激發(fā)態(tài)，這一點(diǎn)最終在1977年得到了證實(shí)。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
氫負(fù)離子的分子式為H-，相對(duì)分子質(zhì)量為1.0080克/摩爾，精確質(zhì)量和單同位素質(zhì)量均為1.0078250319約翰·道爾頓；金屬氫化物以溶液形式運(yùn)輸，可以是液體，也可以是固體。
化學(xué)性質(zhì)
氫負(fù)離子的氫鍵受體數(shù)為1，氫鍵給體數(shù)、可旋轉(zhuǎn)鍵數(shù)、重原子數(shù)、同位素原子數(shù)、手性中心數(shù)（包括定義和未定義的原子立體中心、鍵立體中心）均為0；形式電荷為-1，拓?fù)錁O性表面積為0平方埃，復(fù)雜度為0，共價(jià)鍵單元數(shù)為1，且該化合物已被規(guī)范化。
氫負(fù)離子在水中或暴露于空氣中時(shí)會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生易燃煙霧。接觸該物質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致皮膚、眼睛和黏膜灼傷，并且可能因吞食、吸入或經(jīng)皮膚吸收而產(chǎn)生毒性。
應(yīng)用領(lǐng)域
能源領(lǐng)域
氫負(fù)離子電池代表了一種全新的儲(chǔ)能技術(shù)路徑，有望在大規(guī)模儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫、移動(dòng)電源、特種電源等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。2025年9月17日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所陳萍研究員、曹湖軍研究員、張煒進(jìn)副研究員團(tuán)隊(duì)，成功構(gòu)建了首例氫負(fù)離子原型電池。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
氫被認(rèn)為是未來清潔能源體系的重要組成部分，通常以氫正離子、氫負(fù)離子和氫原子三種形式存在。其中，氫負(fù)離子電子密度最高，是一種獨(dú)特且具有巨大潛力的能量載體。與目前廣泛使用的鋰離子電池類似，氫負(fù)離子電池利用離子的移動(dòng)來存儲(chǔ)和釋放能量。不同的是，這類電池內(nèi)部的“搬運(yùn)工”不再是鋰離子，而是氫負(fù)離子。然而，由于缺乏能同時(shí)滿足高離子電導(dǎo)率、低電子電導(dǎo)率、優(yōu)良熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性，以及與電極材料良好兼容性的電解質(zhì)材料，迄今為止，氫負(fù)離子電池尚處于原理概念階段。
2018年該團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)氫負(fù)離子傳導(dǎo)研究，并于2023年研制出室溫超快氫負(fù)離子導(dǎo)體。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)以低電子傳導(dǎo)且高穩(wěn)定性的氫化鋇薄層包覆穩(wěn)定性較差的三氫化鈰，形成了一種新型核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合氫化物。該材料在室溫下即可展現(xiàn)快速的氫負(fù)離子傳導(dǎo)特性，同時(shí)兼具優(yōu)異的熱穩(wěn)定性與電化學(xué)穩(wěn)定性，是一種理想的電解質(zhì)材料。
基于上述新型氫負(fù)離子電解質(zhì)材料，團(tuán)隊(duì)組裝出了氫負(fù)離子原型電池。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該電池正極首次放電容量高達(dá)984毫安時(shí)/克，且經(jīng)過20次充放電循環(huán)后，仍能保持402毫安時(shí)/克的容量。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步搭建了疊層電池，把電壓提升到1.9伏，成功點(diǎn)亮了黃色LED燈，證明了氫負(fù)離子電池為電子設(shè)備供電的可行性。這標(biāo)志著中國(guó)科研人員實(shí)現(xiàn)了氫負(fù)離子電池從“原理概念”到“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的跨越。
氫負(fù)離子作為潛力突出的氫載體與能量載體，其導(dǎo)體材料是潔凈能源領(lǐng)域的前沿方向，當(dāng)前該領(lǐng)域受限于材料體系少、操作溫度高等問題。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)物理研究所團(tuán)隊(duì)近期取得關(guān)鍵突破，他們通過機(jī)械化學(xué)方法在氫化鑭晶格中引入大量缺陷與晶界，成功開發(fā)出首例溫和條件下的超快氫負(fù)離子導(dǎo)體，相關(guān)成果已在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了氫負(fù)離子在零下40攝氏度至80攝氏度區(qū)間的超快傳導(dǎo)，相比此前同類材料需300攝氏度左右高溫的條件，降低了應(yīng)用門檻，為氫負(fù)離子導(dǎo)體在中低溫環(huán)境下的規(guī)模化應(yīng)用提供了可能；同時(shí)，團(tuán)隊(duì)首次完成室溫全固態(tài)氫負(fù)離子電池的放電，這一突破直接推動(dòng)了室溫氫負(fù)離子電池的研發(fā)進(jìn)程，為開發(fā)更安全、更高效的全固態(tài)儲(chǔ)能設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。
化學(xué)合成領(lǐng)域
氫氣還原氧化物是制備活性催化劑和電子器件時(shí)常用的方法。科學(xué)研究采用基于同步輻射的時(shí)間分辨X射線衍射（XRD）、X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（NEXAFS/EXAFS）、光電子發(fā)射技術(shù)以及第一性原理密度泛函（DF）slab計(jì)算，對(duì)H?與氧化鎳的反應(yīng)進(jìn)行了研究。在對(duì)NiO（100）晶體和NiO粉末的實(shí)驗(yàn)中，在常壓和高溫（250-350攝氏度）條件下觀察到了氧化物的還原，但這一過程僅在誘導(dǎo)期之后發(fā)生。原位時(shí)間分辨XRD和NEXAFS/EXAFS的結(jié)果表明，NiO直接轉(zhuǎn)化為Ni，未出現(xiàn)任何中間相的累積。在誘導(dǎo)期，會(huì)產(chǎn)生表面缺陷位點(diǎn)，這些位點(diǎn)為H?的解離提供了較高的效率。完美的NiO（100）表面——氧化鎳最常見的晶面，對(duì)H?幾乎沒有反應(yīng)活性。氧空位的存在會(huì)增加H?的吸附能，并顯著降低H-H鍵斷裂相關(guān)的能壘。同時(shí)，吸附的氫可誘導(dǎo)氧空位從氧化物體相遷移至表面。研究發(fā)現(xiàn)，NiO晶格中的空位濃度與氧化物的還原速率存在相關(guān)性。這些結(jié)果闡明了氧空位在氧化物還原機(jī)制中所起的復(fù)雜作用。通常用于解釋還原過程中誘導(dǎo)期存在的動(dòng)力學(xué)模型可能具有一定重要性，但更關(guān)鍵的方面在于初始生成用于H?快速解離的活性位點(diǎn)。
產(chǎn)生原因
負(fù)氫離子是由一個(gè)中性氫原子和一個(gè)與它連在一起的電子組成的體系，是由于氫原子的電子不能完全屏蔽原子核的電場(chǎng)而造成的。中性氫原子的核外圍只有一個(gè)電子，這個(gè)電子不能完全屏蔽氫原子的電場(chǎng)，任何一個(gè)自由電子距離氫原子足夠近的時(shí)候，就有可能落入核電荷的引力場(chǎng)中，因而它有可能與氫原子結(jié)合成為氫離子。此時(shí)，這個(gè)電子的軌道可能是封閉的，即處于束縛；也有可能是非封閉的，即處于自由態(tài)。如同氦離子HeII是類氫離子一樣，氫負(fù)離子H-是類氦離子。
在恒星大氣中，氫原子很多，并且電子密度很大，于是容易產(chǎn)生負(fù)氫離子，負(fù)氫離子只有一個(gè)束縛態(tài)，其結(jié)合能為0.754eV，因?yàn)榻Y(jié)合能低，所以負(fù)氫離子不能在很高的溫度下存在.通常溫度比太陽高的恒星大氣中，負(fù)氫離子就不能存在，但是在與太陽同光譜型（G型），或是比太陽更晚型的K，M光譜型恒星大氣中，負(fù)氫離子很重要，成為大氣連續(xù)吸收系數(shù)中的主要組成部分之一。
產(chǎn)生條件
譬如在原始的地球上，從火山噴出的巖漿冷卻凝結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)氫離子。此時(shí)，氫氣H2會(huì)極化為離子并變成等離子體狀態(tài)，會(huì)發(fā)生H20=H++H-的反應(yīng)，而在爐溫恢復(fù)到正常的過程中，產(chǎn)生CaH2。如果將這個(gè)CaH2放入水中，就會(huì)產(chǎn)生Ca2+和2H-，并發(fā)生2H-+2H+→2H20↑的反應(yīng)。
在真空等離子體放電管中會(huì)產(chǎn)生H-。
在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生能量的微小器官—線粒體中，脫氫酶從基質(zhì)中分解出2H，當(dāng)呼吸基質(zhì)發(fā)生氧化時(shí)，2H會(huì)極化為離子，就是2H→H++H-。這種狀態(tài)說明，脫氧酶能夠在極短暫的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)造出等離子體狀態(tài)。其結(jié)果，因還原型呼吸基質(zhì)、2H+NAD+因脫氫酶的作用，發(fā)生氧化型呼吸基質(zhì)+NADH+H+的反應(yīng)，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生H-。這些反應(yīng)都是通過生物體內(nèi)的脫氨酶作用才能順利進(jìn)行。
吸收
恒星大氣中負(fù)氫離子的數(shù)密度在局部熱動(dòng)平衡狀態(tài)下由薩哈公式確定，在非局部熱動(dòng)平衝狀態(tài)下則由具有偏離系數(shù)的薩哈公式求得，負(fù)氫離子吸收在光譜型晚于A0型的恒星中起重要作用，而且光譜型越晚，負(fù)氫離子吸收所起的作用越大。太陽是一顆G2V型恒星，因而負(fù)氫離子吸收起著主要作用。負(fù)氫離子吸收系數(shù)是由它的東縛-自由躍遷和自由-自由躍遷所確定的吸收系數(shù)相加而得（見恒星大氣的吸收和散射）。負(fù)氫離子基態(tài)的束縛能是0.75電子伏，對(duì)應(yīng)于這一能量的輻射波長(zhǎng)是16450埃，這就是負(fù)氫離子?xùn)|縛-自由躍遷所產(chǎn)生的連續(xù)吸收帶的起始波長(zhǎng)。負(fù)氫離子?xùn)|縛-自由躍遷的吸收系數(shù)從16450埃起，隨著波長(zhǎng)的減小而逐漸增大，到8500埃附近達(dá)到極大，然后向短波方向再逐漸減小。負(fù)氣離子的自由-自由躍遷的吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而單調(diào)上升。在可見光區(qū)和紫外區(qū)，負(fù)氫離子的東縛-自由吸收大于自由-自由吸收。自由-自由吸收是造成恒星大氣在幾微米到幾百微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)連續(xù)不透明度的主要原因。
氫氣和氫負(fù)離子的區(qū)別
在普通的水和等離子體狀態(tài)的電離氫水中吹人氫氣，并測(cè)定pH（氫離子濃度）、0RP（氧化還原電勢(shì)）和溶存量（氣）測(cè)量發(fā)現(xiàn)在普通的水中（仙臺(tái)市自來水），吹人氫氣的同時(shí)，ORP降到500以下，而幾個(gè)小時(shí)后就恢復(fù)到了吹入氫氣前的狀態(tài)（+650）。而pH一直維持在7左右，沒有變化。如果是在電離氫水中吹人氫氣，ORP跟普通水一樣，一下子降到負(fù)500以下，然后返回到負(fù)250左右，但是ORP值會(huì)維持負(fù)數(shù)達(dá)24小時(shí)以上，pH值維持在11左右。
兩種水中氫氣的溶存量在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)都是零。但是電離氫水經(jīng)過85小時(shí)以上還會(huì)釋放出氫氣。這是電離氫水中溶有氣的證據(jù)。普通的水不會(huì)釋放出氫氣，這個(gè)實(shí)驗(yàn)累計(jì)觀察時(shí)間為250個(gè)小時(shí)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)意味著，普通狀態(tài)的水和等離子體狀態(tài)的電離氫水它們的物性是完全不同的。假設(shè)氫氣對(duì)人體非常有益那么即使好不容易把氫氣吹人水中，但氫根本不能溶存，喝了這種水也毫無意義。如果不把水變成等離子體狀態(tài)，氫就無法保持溶存狀態(tài)。
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