0-1的创新突破！中科院纳米能源所发布两大重磅原创科学成果-

中国科学院北京纳米能源与系统研究所举办重大科学成果发布会，拓展型麦克斯韦方程组、接触电致催化两大重磅原创科学成果发布！

1月13日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所（以下简称“中科院纳米能源所”）在京举办重大科学成果发布会。会上，拓展型麦克斯韦方程组、接触电致催化两大重磅原创科学成果发布！

中科院纳米能源所所长、首席科学家、中科院外籍院士王中林，就两大成果的发现、推演及研究过程，在会上作了分享。

中国科学院大学党委常务副书记董军社，北京市科委中关村管委会二级巡视员刘航，怀柔区人民政府副区长季学伟，北京中医院大学校长徐安龙，中国科学报社社长赵彦，中关村发展集团党委副书记周光武、怀柔区政协副主席杨昊天等领导与嘉宾出席发布会。

董军社在会上致辞，强调两项重大原创成果的产生，既是纳米能源所的大事，也是中国科学院大学的喜事，更是中国科学院和北京市科技共建的又一重要成果。

刘航表示，纳米能源所发布原创成果让人感到振奋，王中林院士拓展的麦克斯韦方程组成功丰富了方程组的运用范围，奠定了运动介质电动力学的基础理论；王中林院士团队在国际上率先提出接触电致催化，可以大大降低催化剂的选择和合成门槛，这两项新成果都是0-1的重要创新和突破。

季学伟代表怀柔区委区政府致辞，希望纳米能源所紧紧抓住怀柔国家实验室和怀柔综合性国家科学中心建设的重大机遇，聚焦关键技术攻关，解决更多卡脖子难题，同时积极促进基础研究、应用研究与产业发展融通对接，加速推动科研成果转化落地，努力将科学城建设过程转化为科技创新和成果转化的过程，努力为首都“四个中心”功能建设构建力量。

拓展型麦克斯韦方程组：

奠定运动介质电动力学的理论基础

王中林院士经过数年研究和实验验证，对麦克斯韦方程组进行了成功拓展，相关成果发表在近期的国际学术期刊Materials Today。该成果的重大意义在于将麦克斯韦方程组基于静态电磁场理论推广到运动介质的情形，成功拓展了麦克斯韦方程组的运用范围，奠定了运动介质电动力学的理论基础。这是中国科研机构对经典物理学基础理论创新做出的一次重要贡献。

学过物理的人都知道，麦克斯韦方程组将电学、磁学和光学统一起来，揭示了三种现象本质的统一性，并预言光也是一种电磁波，其在电磁学与经典电动力学中的地位，如同牛顿运动定律在牛顿力学中的地位。

以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，为无线通信、广播、航空航天、雷达、遥感、计算机和移动电话等技术领域的发展提供了坚实的科学基础。

▲麦克斯韦方程组微分形式

▲麦克斯韦方程组积分形式

然而，麦克斯韦方程组存在一个长期被忽视的局限性。该方程组的成立是有条件的，从数学角度看，由积分形式方程组推导出微分形式方程组的基本假设是方程（2c-2d）中的时间微分和曲面积分可以互换：

事实上，方程（3）的成立是假设体系中介质的形状、分布、体积和表面都不随时间变化，即处于静止状态。然而，这种静态介质的假设在电动力学教课书中一般没有注明，因此我们不会关注微分形式麦克斯韦方程组的具体成立条件。相反，在很多领域我们直接用积分形式方程组建立各种理论模型。

如果介质是运动的，它的分布随时间变化而变化，例如高速运动的飞机，运行的火车等，此时方程（3）不能严格成立。王中林院士首先意识到这个问题，为了推导出在有运动介质情况下的麦克斯韦方程组，他建立了拓展型的麦克斯韦方程组：

王中林拓展麦克斯韦方程组的最初动机是为了发展和完善纳米发电机的理论构架。纳米发电机是以位移电流为驱动力，将机械能有效地转换为电能/电信号的一个前沿研究领域，在微纳能源、自驱动传感、蓝色能源和高压电源领域有着重要的应用前景。2006年，王中林及其团队发明了第一台压电纳米发电机（PENG），2012年发明了第一台摩擦纳米发电机（TENG）。2017年，他又首次拓展了位移电流的表达式，在电位移矢量D'中引入Ps项，用来推导纳米发电机的输出功率，拓展了它们在能源领域的应用。

▲适用于静态介质的麦克斯韦方程组、适用于运动介质的拓展型麦克斯韦方程组的比较

2019年，王中林推导出了纳米发电机的输运方程，Ps项的解析表达式，以及不同负载下纳米发电机的输出功率和空间电磁场分布及其辐射的通用表达式。同时给出摩擦纳米发电机四种模式的解析，奠定了纳米发电机的整体理论构架，形成本学科发展的基本理论基础。

王中林建立的拓展型麦克斯韦方程组，成功地将电磁场理论推广到运动的介质情形，解决了经典电磁学使用范围的问题，奠定了运动介质电动力学的理论基础，对基础科学和关键前沿技术将产生深远影响。

如果将该方程组应用于高速运动目标的探测方面，比如运动中的高铁、高速飞行的飞机、甚至星球运行，可以解决电磁波的产生、发射、相互作用、散射电磁波探测和目标特征精确提取等难题。更重要的是，由于拓展型麦克斯韦方程组中引入了速度项，不但可以研究最常见的多普勒效应，同时也包括了电磁波的振幅和相位的变化，在雷达、天线、航空、航天等需要无线通讯的领域具有巨大的潜在应用前景。

接触电致催化：

走向碳中和的全新催化机制

王中林团队提出了一种全新的催化机制——接触电致催化，该成果利用材料间接触起电（摩擦起电）引起的电子转移，作为催化反应的核心，促进化学反应的进行。接触起电普遍存在于各类材料间，这意味着接触电致催化可以大大降低催化剂的选择和合成门槛，使现有的化学、能源等工业朝着更加低碳的方向发展。

催化反应与人类活动息息相关，从古人利用酵素酿酒制醋，到工业革命初期人们用铅室法制硫酸，再到如今的化工产品85%都离不开催化反应。催化反应对一个国家GDP的贡献接近20%。

关于催化学科的研究，大致可按催化剂种类，将其分为三大类：第一类是金属基催化剂，包括贵金属、金属氧化物，硫化物、金属有机框架材料、半导体、压电材料等；第二类是酶，即生物基催化剂；第三类是有机小分子。统计得出，基于以上三大类催化剂的研究已获得了16次诺贝尔奖。

回顾催化剂的工作原理，其核心是通过生成活性中间体等方式降低反应的活化能，促进化学反应的进行。那么是否存在除金属基催化剂、酶、以及有机小分子之外的第四种的催化剂呢？

王中林团队将视线聚焦于“接触起电”这一非常古老且广泛存在的物理现象上。他们发现，接触起电现象不仅可以发生在固体与固体界面之间，还能发生在固体与液体，液体与液体界面，甚至是固体与气体、液体与气体界面处，并发表了一系列重要原创成果表明接触起电中存在电子转移的贡献，甚至在部分情形下电子转移是接触起电的主要机制。

既然电子转移存在于接触起电过程中，同时电子转移又可以促进化学反应的进行，那么利用接触起电过程中的电子转移来直接催化化学反应就存在可能。因此，王中林院士、唐伟研究员利用超声空化作用在颗粒表面引入的接触起电过程，发现即使所用颗粒为高度化学惰性的FEP（全氟乙烯丙烯共聚物）也能实现甲基橙污水的降解，且反应前后所用颗粒化学成分不变，这就初步表面了接触电致催化的可能性。

不同于电催化或光催化需要催化剂具备一定的特性，如导电性或光敏特性，接触电致催化是利用机械激励下通过接触起电效应产生的电子催化反应，只要材料能够接触起电就可能催化反应的进行，因此极大地拓宽了催化剂的遴选范围，提供了更为丰富的催化体系设计可能。

另外，相比于紫外光照、电能输入等方式决定的局部反应效果，接触电致催化的反应范围更加全域化，具有规模化应用的前景。从对环境影响的角度出发，得益于接触电致催化对催化剂的选择几乎无限制，可以选用大量环境友好的材料进行催化，并且这些催化剂与底物能够通过简单的方式实现高效分离，避免了对环境的二次污染。更为重要的是，这些催化剂能够反复回收重复使用，进一步减少了制备过程中对环境的污染。

由于接触起电效应广泛存在于各类材料间，接触电致催化将引领一系列前沿催化研究，为碳中和、新能源、水资源、医药化工等一系列国家战略和国计民生问题的解决提供新原理和新思路。

撰文/记者李慧新媒体编辑/吕冰心

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