一种合成金属氢的新思路

摘 要：文章介绍了金属氢的研究意义、应用前景与高压试验方法。简明回顾了金属氢的研究历史与进展。提出了一种在传统方法中引入化学方法的新思路。

关键词：合成金属；氢；实验方法

1 概述

氢是周期表的第一号元素，室温常压下其单质为气态的双原子分子H2。使氢在极高压下变成金属的想法由来已久，1935年Wigner和Huntington从理论上证明金属氢的存在的可能性，并预言在25GPa高压下，氢分子组成的固态氢将转变成呈现出金属性质的同素异形体金属氢。[1]此后的实验表明，对压力的最初估计不足，使氢金属化需要更高的压力。

金属氢有重要的理论与应用价值，在木星等天体中氢是主要成分，金属氢也被认为会存在于这些大质量的行星内部研究金属氢的性质，对于了解和解释它们的内部结构和强磁现象是很重要的。Ashcrof曾提出金属氢可能具有很高的超导转变温度，是一种很理想的超导材料。金属氢的高密度特点也使其成为一种理想的储氢方式、高能燃料。因此如果能用人工的方法合成出金属氢，将有特别重大的意义。

2 金属氢研究的历史回顾

2.1 实验方法

产生金属氢的实验方法是对H2施加高压。压缩H2的实验技术分为动态压缩法和静态压缩法，动态压缩法以利用爆炸冲击波产生的瞬间高压和迅变高磁场产生的瞬间高压为主，优点是产生的压力很高，但也有缺点，一是实验费用昂贵，二是冲击波压缩以绝热方法进行，大部分能量转化为热，使样品温度升得很高，这时很难说氢是固态还是等离子体。1962年英国剑桥大学的福勒就曾推测，在足够的温度和压力下，分子氢可能会转变成一种致密的等离子体，即离子化的气体；三是由于其冲击波压力持续时间短，只有0.1～1.0μs，使许多深入的物理测量很难进行。

因此现在更多采用的是静态压缩法中的金刚石压砧（DAC）技术，DAC技术的优点是不仅可以持续产生高达300GPa的压力，而且由于金刚石窗口可透过高能X射线、γ射线和低能紫外线、可见光、红外线，因此通过它可以进行光吸收和反射、拉曼和布里渊散射、X 射线和中子衍射等各种物性测量和相变研究。DAC设备并不大，只是2块金刚石靠在一起，中间有线度为几十微米的空间放置固态氢。

在上述的方法中，要求的压力极高，现有技术条件下以至于样品空间小、产量低，无法进入实用状态，因而迫切需要研究一些降低金属氢转变压力的方法。1971年Gilman提出把氢置于介电常数较大的媒质中（如常压下稳定的LiF），可以降低金属氢转变压力，得到的LiH2F也可能具有超导性，且超导转变温度相当高。1983年，Carisson和Ashcroft提出添加杂质或缺陷以降低价带和导带间的能隙，并提出用过渡族金属元素最合适，另外用强光源照射（如激光或同步辐射光源）可以产生电子-空穴对，从而在固氢中产生负压力，起到降低外压效果。

2.2 进展

随着超高压技术的发展，已能在金刚石对顶砧（DAC）上产生250～300GPa的静态压力。1978年，美国卡内基研究所地球物理实验室毛河光等人在DAC上压力达172GPa后，率先进行了该压力范围的物性测试。1988年毛河光等人取得了突破性进展，发现固体氢在150GPa压力和77K低温条件下发生相变，新相被称为Ⅲ相或H2A 相。1989年，毛河光小组把压力提高到250GPa，证明氢仍是分子态，在250GPa以上，发现氢样品变黑，成为不透明，氢分子是否拆键还有待证实。[2]

3 新思路

传统方法一直试图通过高压使共价键断裂，将氢分子解离成氢原子转化为金属氢。化学反应产生新物质的本质是旧化学键断裂和新化学键形成的过程，但超高压使化学键断裂的效果并不好，即使在250GPa的压力下，氢分子中的共价键也没有断裂。而这个问题兴许可以通过引入化学方法巧妙的解决。

高压难以破坏的共价键，可以用简单的化学反应破坏。例如氢气的不稳定同素异形体三原子氢，就可用低压放电管制备。[3]将高压和电化学反应结合起来，可能会产生新的突破。

旧键断裂必然伴随着新键产生与新物质的生成，用化学方法打破H2的共价键意味着氢元素也会参与反应，产生其他物质，所以除了H2产生三原子氢的反应外，其他化学反应似乎无法利用。但我们不妨逆向思维：不是把H2置于高压下，而是把产生氢单质H2的化学反应置于高压下进行，相当于直接压缩反应中间体，绕开了使H2共价键断裂的问题，在高压下可能产生新的氢单质，例如金属氢。

3.1 化学方法

将产氢的化学反应置于高压下进行，在高压条件下产生的氢单质可能不是氢气H2，而是氢的其他同素异形体。可能利用的产氢反应如碘化氢的分解、水的电解、酸与金属的反应等。

3.2 电方法

虽然250GPa的高压也无法破坏H2的共价键，但低压放电管中却可以产生一种氢的同素异形体：H3。用里德伯光谱可直接测定H3的结构， 它的三个氢原子核排列成一个等边三角形，这是一种极不稳定的氢单质，存在时间极短。但可能对于合成金属氢具有潜在价值。

参考文献

[1]Wigner E， Huntington H B. J. Chem. Phys.，1935，3：764.

[2]陈良辰.金属氢研究新进展[J].物理，2004，33（4）：261-265.

[3]Naturwissenschaftliche Rundschau，1981.

作者简介：胡一凡（1991，5-），男，北京人，本科，研究方向：物理实验。