“釩”人之旅

武凡博，王宇

哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150001

一片白光。無聲無息。背后傳來冰冷的硬邦邦的觸感。撐起身子，握了握手，恍惚之間，突然發(fā)現(xiàn)我什么也想不起來。我是誰？我在哪里？我為什么會失憶？這一切究竟是怎么回事？

正當(dāng)我發(fā)懵時(shí)，一男一女來到我面前。我好奇地打量著他們，有一些熟悉感。

“不必拘謹(jǐn)，我是鈮，41號元素。那個戴眼鏡的元素是鉭，73號元素。我們現(xiàn)在并不是處在人類世界，而是在元素世界里?！苯凶觥扳墶钡呐私榻B道。

“我們兩個是專門幫助你找回記憶的引導(dǎo)者?！北环Q為“鉭”的人接著解釋。

“既然如此，那你們清楚我的身份嗎？”我忐忑地問道。

“嗯，你的名字叫釩(Vanadium)，23號元素釩?！扁壵f。

“釩？……我是……釩(Vanadium)？”聽到這句話，恍然間，腦海中好像有記憶一閃而過。

1 熱心快腸，儀態(tài)萬方

1.1 舊憶：交友

“初次見面，你好，我是釩，可以交一個朋友嗎？”

“啊……啊啊好，好的。我是鐵，你好。”叫做“鐵”的元素回過神來，如此說道。

隨即，聊了幾句后，“釩”開心地跑走了，然后又去找其他元素打招呼去了。

“你好，我是釩！”“很高興認(rèn)識你，我的名字是氮?！?/p>

“你好，我是釩！”“我是鋁?！?/p>

“啊，啊很高興認(rèn)識你?！薄啊?/p>

釩真是一個熱情好動的孩子呢，我這么想。

1.2 逐憶：個性

等回過神來的時(shí)候，我們走出了門外，鈮已經(jīng)開始介紹了?！扳C你的人緣可是很好的，讓很多其他元素都很羨慕。你和幾乎所有元素都是朋友，比如韌性強(qiáng)度很好的釩鐵合金、機(jī)械性能很好的釩氮合金、抗腐蝕性能很好的釩鋁合金等……”

原來我是這樣一個人啊，那記憶中的那個人是我嗎？我突然意識到一個問題，“等一下，你們?nèi)绾未_信我是釩呢？”

鉭笑了笑，“是你的衣服?！?/p>

“我們身上穿的衣服就像身份證一樣。不同元素的衣服是不一樣的?！鳖D了一頓，鉭繼續(xù)說道：“衣服上的扣子是主要用于區(qū)分的對象，你的外套有兩個扣子意味著你在人類世界中最外層有兩個電子。而身上衣服的數(shù)量是由未充滿電子的電子層決定的，你有兩件衣服，就說明你有兩個電子層未達(dá)穩(wěn)定的滿電子結(jié)構(gòu)，即價(jià)電子的3d軌道和4s軌道?！?/p>

“由于咱們?nèi)齻€是同一族的元素。雖然鈮有些許不同，但咱們?nèi)齻€的衣服，無論是內(nèi)層還是外層，款式其實(shí)都很相似，衣服的厚度則能區(qū)分在同族元素的周期數(shù)，因此根據(jù)每個元素所穿的衣服，就能準(zhǔn)確確定他的身份(圖1)?！?/p>

圖1 釩、鈮、鉭的價(jià)電子排布示意圖

說罷，我們走到了一個房間，上面寫著“性質(zhì)測試”四個字。鈮說道：“測試不會對你造成任何影響，休息一會兒就能復(fù)原，這對你找回記憶會有所幫助。”

走進(jìn)屋子，首先朝我走來的是幾位美麗的小姐。被稱為鹽酸和硫酸的小姐微笑著先后伸出手，我也慌忙伸手回應(yīng)。

“沒有變化呢。”兩人對視一眼笑著說道。

“看來你在常態(tài)下抗酸性很強(qiáng)啊，是個抗腐蝕的苗子?！绷硪粋€人說道，“我是硝酸，你好?！?/p>

“你好?！蔽毅轮帐?。

突然，感覺到一絲變化，隨著握手力量的增大，我突然發(fā)現(xiàn)，我衣服的顏色正在逐漸變化！銀白色的衣服逐漸變成美麗的藍(lán)色，藍(lán)色逐漸加深，但最后變成了黃色。并且，最外層的衣服變得透明，內(nèi)層衣服的款式也變了，11顆扣子變成了8顆！

我恍然間明白了，我正在和硝酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

“我記得釩的不同價(jià)態(tài)會呈現(xiàn)不同的顏色。”鈮說。

為此，又找來了給電子能力很強(qiáng)的鋅，我和鋅分別牽著鹽酸的手，此時(shí)，那種異樣感又襲向我。緊盯著自己的衣服，還是剛才的黃色，但一會兒后，衣服的款式發(fā)生了變化，黃色逐漸消失，變成了剛才最開始出現(xiàn)的藍(lán)色！隨后，衣服的款式和顏色再次變化，扣子又多了一個，同時(shí)衣服又變?yōu)榱司G色。在我感嘆時(shí)，衣服內(nèi)層的扣子恢復(fù)成11個，隨后衣服神奇地變成了淡雅可人的紫色(圖2)。

圖2 不同價(jià)態(tài)釩離子的顏色

看著我被這一連串的顏色驚艷到的神情，鉭笑道：“或許你不記得你的名字來源了，當(dāng)年塞夫斯特倫發(fā)現(xiàn)你的時(shí)候，也是被你的多樣顏色吸引，因此才用希臘神話里的美麗女神凡娜迪絲(Vanadis)來給你命名(Vanadium)?！?/p>

隨后和堿先生們測試，結(jié)果顯示好像我只與熔融的強(qiáng)堿才容易反應(yīng)。

在屋子里走完一圈，我對自己終于有了一些了解，最讓我驚奇的還是這衣服，既能體現(xiàn)自己的性質(zhì)，還是“身份證”。

“對了，你知道你自己家族的化合物嗎？”出了大門，鈮問道。

我搖了搖頭。

鉭笑了一下：“走，去放映廳，我們來帶你回憶一下釩的重要化合物吧，就從最知名的五氧化二釩開始?！?/p>

五氧化二釩？我腦海中記憶的碎片又一閃而過。

2 志在四方，家族榮光

2.1 舊憶：壯志

“鈧作為稀土元素，未來被重視程度將大大提高?！薄扳伡捌浜辖鹗俏磥碜罾硐氲慕饘俨牧现?。”“鐵與銅，人類歷史的最大推動者?！薄T如此類的話深深烙印在一個少年心中?？此囊路翢o疑問，他也是釩。

自己同輩們的成績過于耀眼，讓這個釩十分不甘。托不銹鋼和錳鋼的福，鉻和錳的知名度也遠(yuǎn)高于釩，此刻想著與自己朝夕相處的小伙伴們，落差感油然而生。

“釩元素的意義，由我來續(xù)寫！”少年立下如此誓言。

少年釩選擇了成為五氧化二釩，披上橙黃色衣服，走向人類世界。

2.2 逐憶：家族

走在路上，鉭介紹道：“常見的釩氧化物有四種，分別是+2價(jià)的氧化釩(VO)、+3價(jià)的三氧化二釩(V2O3)、+4價(jià)的二氧化釩(VO2)和+5價(jià)的五氧化二釩(V2O5)。其中灰色的氧化釩和棕黑色的三氧化二釩不穩(wěn)定，在空氣中就容易被氧氣氧化，故應(yīng)用有限，一般都是作為精細(xì)材料的中間體以及用于制作有色玻璃。而二氧化釩和五氧化二釩比較穩(wěn)定，用途就多了起來?！?/p>

進(jìn)了放映廳，巨型屏幕上放起了視頻，那是一個穿著橙黃色衣服的人，旁邊則站著硫酸小姐。那人笑著說道：“我是五氧化二釩，工業(yè)制硫酸可少不了我。硫酸她們的原料是二氧化硫，而低價(jià)的二氧化硫被氧氣氧化為高價(jià)的三氧化硫可不容易，我們就是這一步的催化劑[1]?！?/p>

畫面一閃，又一個穿著深藍(lán)色衣服的人緩緩開口：“我是二氧化釩，是釩化合物的一顆新星，由于我的相變溫度很低[2]，因此在光電轉(zhuǎn)換材料、光儲存材料、電子設(shè)備上有很大應(yīng)用前景[3]……”

鈮切換了一段視頻，這一次是一個身著白衣的青年：“我是偏釩酸銨，釩酸鹽的代表。釩酸鹽一向以形態(tài)多樣和色彩變換出名?！闭f著，他打開了pH噴頭，然后衣服顏色逐漸變淺。“在堿中我是無色的，但是如果改變pH的話……”轉(zhuǎn)動開關(guān)，只見他的衣服染上了一抹夕陽般的橘紅，“此時(shí)我的形態(tài)變成了多聚態(tài)，當(dāng)變?yōu)槭C酸根離子時(shí)，就會有這樣的顏色，而如果pH減小至2，我將以五氧化二釩的形態(tài)脫離溶液。”確實(shí)，現(xiàn)在他的衣服變得和五氧化二釩一模一樣，但他沒有就此停手，再次減小pH后，衣服最終變?yōu)榱藱幟庶S色，我認(rèn)得這個顏色，這是剛剛VO+2的顏色[4]?！?/p>

“我們氮化釩，是由五氧化二釩作為中間體得到，主要是制作合金的?！币粋€叫做氮化釩的人在影片里說道，“如果向鋼中加入釩會得到釩鋼，僅僅百分之幾，就能使鋼的強(qiáng)度、韌性大大增加，耐高溫抗奇寒，耐磨損抗撞擊，在各種高端、重要領(lǐng)域均有很大應(yīng)用。而我們氮化釩，即釩氮合金是新型合金添加劑，使鋼達(dá)到相同程度，可以節(jié)約30%-40%的釩資源。”

……

鈮看著我被感動的樣子，又認(rèn)真地說道：“此外，釩還有一個近幾年來最為重要的方向，有無數(shù)科學(xué)家和學(xué)者一直在設(shè)計(jì)、研究、改進(jìn)這個領(lǐng)域，如果他們成功了，會極大地改善人們生活?！?/p>

“那是……什么？”

“釩——電——池?！便g一個字一個字地說出來。

突然，腦袋嗡的一下，恍惚間，我好像又窺探到了一些塵封的記憶。

3 艱難抉擇，能源有我

3.1 舊憶：抉擇

“釩電池！”一個青年模樣的釩雙手撐著桌大聲說道。

“人類那邊已經(jīng)構(gòu)想出了釩電池的可能性和可行性，并且優(yōu)點(diǎn)十分突出，一直以來，都是鋰妹妹她們在電池領(lǐng)域不斷奉獻(xiàn)著，但鋰她們的人本來就沒那么多，再這么長期撐下去恐怕堅(jiān)持不了很長時(shí)間。是咱們出場幫助鋰她們的時(shí)候了！”

“只是……”青年釩瞬間表情一變，語氣也隨之低沉下來，“只是現(xiàn)在釩電池還在研發(fā)階段，還有一些不足，這份抉擇，很可能讓走這條路的釩，一事無成……”

“大哥，不用說了?！迸_下其中一個釩說道，“我們都明白。比起我們自己的價(jià)值，對整個釩元素的價(jià)值和對人類的價(jià)值更重要不是嗎？”其他釩眼神堅(jiān)定，也點(diǎn)了點(diǎn)頭。

3.2 逐憶：電池

我愣住了，那個青年……是我嗎？

“看來你很快就要恢復(fù)記憶了?！扁壵f。

休息了一會兒，我們走到資料室，鈮打開書架上的一本書說：“釩電池，一般指釩氧化還原流電池(VRFB)，是指陰陽極采用不同價(jià)態(tài)的釩作為電解液。其中，你們釩家的4個價(jià)態(tài)離子全部上陣，正極有+4價(jià)的VO2+和+5價(jià)的VO+2幫忙，負(fù)極則是+2價(jià)的V2+和+3價(jià)的V3+，他們都浸在硫酸里?！?/p>

鉭翻開另一本書，指著上面的圖(圖3)說道：“與一般電池不同的是，釩電池的電解液儲存在遠(yuǎn)離電池的外部容器中，靠的是泵進(jìn)行抽出和流動，因此陰陽極的交叉污染很低。當(dāng)電池充電時(shí)，陽極的VO2+被氧化為VO+2，同時(shí)陰極的V3+被還原為V2+；而放電的時(shí)候，反應(yīng)朝著相反方向進(jìn)行。你們釩工作得十分賣力，能量轉(zhuǎn)化效率在70%甚至能達(dá)到90%以上！”

圖3 釩電池的工作原理及結(jié)構(gòu)[5]

“那還真的不得了?！蔽矣牣惖?。

“是啊，只要增加電池個數(shù)和電極面積，就能增加功率；只要增加電解液體積，就能增加容量；并且正負(fù)極的電解液完全分開，自放電少，壽命很長，可輕松充放電循環(huán)上萬次，同時(shí)也因此安全性高，不會因電解液混合而發(fā)生火災(zāi)和爆炸，也不會產(chǎn)生污染或溫室氣體?！?/p>

“那釩電池有沒有什么缺點(diǎn)呢？”我歪了歪頭問道。

“有的，”鉭回應(yīng)，“釩電池最大的就是適用溫度的問題。V2+、V3+、VO2+在低溫容易在硫酸中析出，而VO+2在高溫容易析出，就使得一般釩電池的工作溫度局限在10-40 °C范圍內(nèi)。與此同時(shí)，氧化還原流電池的能量密度普遍較低，電池的體積較大，不便于攜帶。”

“而且啊，五價(jià)VO+2氧化性太強(qiáng)，長時(shí)間容易腐蝕離子交換膜，而二價(jià)V2+的還原性太強(qiáng)，長時(shí)間又容易被氧氣氧化?！扁壧痣p手，聳了聳肩。

“不過，隨著人類學(xué)者和你們釩的付出與努力，很多缺陷都已有大的改進(jìn)突破。比如，有些科學(xué)家通過對電極改性和壓縮電極來提高能量密度，也有科學(xué)家通過在硫酸中加入鹽酸或甲基磺酸在增加電池的工作溫度區(qū)間。還有學(xué)者通過調(diào)節(jié)釩離子和硫酸濃度來減緩V2+被氧化的過程[6]?！?/p>

“估計(jì)不久的將來，釩電池就能有更廣泛的應(yīng)用啦，你們和鋰電池各有千秋(表1)，未來有望共同為人類創(chuàng)造美好的未來！”鈮接著說。

表1 釩電池與鋰電池的比較

走出資料室，突然眼前出現(xiàn)一扇門，抬頭一看，是我最初醒來時(shí)的地方，應(yīng)該是叫“元素大殿”吧，推門進(jìn)入，熟悉的一切。記憶又再次襲來。

4 記憶復(fù)蘇，平“釩”偉大

我看到了那個熱情的小男孩逐漸長大、變老，最后笑著走進(jìn)了高溫的熔爐；我看到了那個有志少年無數(shù)次連接起氧原子和二氧化硫，在生命的最后驕傲地走進(jìn)回收池[7]；我看到了那個青年釩將自己的一輩子奉獻(xiàn)給了釩電池的研究，最后在儲液罐中微笑著閉上了眼睛。

我，我是我回憶里的所有人。我記憶中的那些釩、那些不同面孔，就是我自己——或許說，是我的前世。

元素不是用一次就消失的，人類會回收各種元素，使他們處在不斷的輪回中，這些生命走到盡頭的釩，在被人類回收后，重新誕生了我這個一無所知的少年。

謝謝你，像那個小男孩一樣熱情的所有釩，正是因?yàn)槟銈?，釩在各種工業(yè)領(lǐng)域才能發(fā)揮作用、也都有建樹，才能和各種元素并肩前行，因而獲得“金屬維生素”的美譽(yù)。

謝謝你，像那個少年一樣滿懷壯志的所有釩，無論你們將來選擇了哪一條路，正是因?yàn)槟銈?，對其他物質(zhì)的誕生、對各種反應(yīng)的幫助，對新型儀器的設(shè)計(jì)，才有了無可替代的貢獻(xiàn)。

謝謝你，像那個青年一樣勇于付出的所有釩，沒有你們和人類化學(xué)家的共同努力，釩電池不可能進(jìn)展得這么快，正是因?yàn)槟銈?，元素們和人類才能有更輝煌更美麗的明天。

我是釩，平“釩”亦偉大。