理学：今天我们聊普鲁士白

2026-02-04 09:41:52 理学中国

普鲁士白｜MOF

关注理学官方微信的小伙伴肯定还记得，我们之前的推送中提到的祝贺北川进教授荣获诺贝尔化学奖，熟悉诺贝尔奖的小伙伴，肯定还记得北川教授在金属有机框架(MOFs)领域的开创性研究，彻底改变了人类在分子层面对材料的认知，为化学与材料科学领域开辟了全新方向。而今天的提到的普鲁士白就是金属有机框架（MOFs）的变体。

MOF

普鲁士白

普鲁士白是MOF的雏形，二者均为配位驱动的三维多孔晶体。其经典结构为MOF设计提供了天然蓝图，而MOF的诺奖级设计理念，也反过来推动了为普鲁士白的精准调控提供了更多的灵感。

结构赋能：MOF的“建筑学”理念，指导了对普鲁士白孔道的工程化修饰，提升了离子电导率与结构稳定性，使其更适配固态电池。

界面增效：MOF作为智能涂层或复合电解质，同理普鲁士白能够借助这个思路与固态电解质间构筑柔性缓冲层，降低机械阻抗的同时与电解质的直接接触抑制副反应，稳定界面。

功能拓展：MOF的高度可设计性，使其可通过精准修饰普鲁士白的孔道化学环境与表面活性位点，从而将应用从钠电储能，精准拓展至碳捕获-储能耦合、痕量检测等新兴领域。

普鲁士蓝到普鲁士白

这是一个从“蓝色解药”到“白色电池”的故事，故事的主角是印度 Macsen Labs（麦克森实验室，下文简称Macsen），一家 1952 年成立、长期专注原料药（API）、染料与特种化学品的制药 / 化工企业。

Macsen 原本深耕医药领域，聚焦普鲁士蓝（PB）作为放射性铯 / 铊中毒解毒剂的应用研发。在对普鲁士蓝的氧化还原特性与晶体化学展开系统研究的过程中，团队在当今的电动车热潮中敏锐地捕捉到其现有产品工艺的价值：普鲁士蓝在特定条件下得电子发生还原反应时，会褪去深蓝转为白色，生成还原态衍生物普鲁士白（PW，典型组成 Na₂Fe [Fe (CN)₆]）；还原后的普鲁士白为实现电荷平衡，可允许钠离子（Na⁺）嵌入其晶体框架。这一核心特性由诺奖得主 Goodenough 于 2012 年率先发现，也让毫无电化学领域背景的 Macsen，直接手握入局钠离子电池赛道的核心入场券。依托企业现成的普鲁士蓝成熟生产线与产业化经验，Macsen 可轻松实现普鲁士白的转产，这也成为其抢占钠电市场的关键优势。

凭借技术积淀与产业化基础，Macsen 的研发落地节奏持续提速，于 2025 年 7 月 21 日正式官宣成功合成 R&D 级高性能普鲁士白，同步完成临时专利申请，并全力推进产品中试工作；企业还规划建设普鲁士白配套中试电池产线，预计 2026 年初实现投产，开展商用大尺寸电池的性能验证与落地工作。

为什么我们需要普鲁士白

核心性能对标

我们需要的不是“另一个磷酸铁锂”，而是一个能解决不同问题、开辟新赛道的“答案”。普鲁士白正是这样一个答案，它凭借其独特的化学基因，在成本、资源、功率和设计四个维度上，提供了不可替代的价值。如下为磷酸铁锂和普鲁士白两种材料的理论比容量，虽然理论比容量相近，但在实际应用中，受纯度、晶体缺陷、粒径尺寸、形貌结构、掺杂改性、包覆工艺及配方体系等因素影响，二者的实际比容量均会呈现出一定的波动范围。

结论

普鲁士白有着优秀的表现

普鲁士白的化学本质与结构

化学本质

普鲁士蓝(Prussian Blue, PB)是一种典型的配位聚合物，化学式通常写Fe₄[Fe(CN)6]3⋅xH2O，其结构中包含两种铁离子如下：

高自旋的二价铁，位于水分子配位的八面体位点，记作 Fe²⁺ (HS) 。
低自旋的三价铁，位于氰根配位的 [Fe(CN)₆] 单元中，记作 Fe³⁺ (LS) 。

当普鲁士蓝被完全还原时，其中的 Fe³⁺(在 [Fe(CN)₆]³⁻ 中)被还原为 Fe²⁺，形成的普鲁士白(Prussian White, PW)，其化学式可表示为 KFe^II[Fe^II(CN)₆] 或类似的碱金属插层形式（如 NaFe[Fe(CN)₆])。

普鲁士白的结构

当普鲁士蓝被完全还原时，其中的 Fe³⁺(在 [Fe(CN)₆]³⁻ 中)被还原为 Fe²⁺，形成的普鲁士白(Prussian White, PW)，其化学式可表示为 KFeII[FeII(CN)6] 或类似的碱金属插层形式（如 NaFe[Fe(CN)₆])。相比于普鲁士蓝，普鲁士白结构中拥有完全还原的二价金属原子，因此具备了双电子转移的容量特性。

使用理学XRD测定普鲁士白晶体的结构可以发现：普鲁士白是一种由氰根桥联的离子框架结构，锰 /和铁离子分别与氰根的氮 / 碳原子配位；含钠笼，部分结构含间隙水分子。

该结构中，随着二价铁被氧化为三价铁，钠离子会同步迁出晶格实现电荷平衡（如上图）。

由理学Micro-ED设备测出相关结构图：

普鲁士白的性能

从前述测试结果可以看出，普鲁士白的理论容量与磷酸铁锂相当，但在实际应用中，其容量受多种因素影响，包括材料纯度、晶体缺陷、粒径分布、微观形貌、掺杂元素、表面包覆以及电极配方等。这些因素共同作用，导致实际容量在一定范围内波动。

单斜相

Monoclinic(M-PW)

Na_1.8Fe[Fe(CN)₆]·1.84H₂O

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P2₁/n空间群(国际晶体学联合会 IUCr 定义的 230 种空间群之一)

形成条件：水合富钠状态(水相共沉淀直接生成)

性能特点：含水量高，可逆容量低、极化大、衰减快；首次充电 3.1V 前平缓上升，3.1-3.8V 骤升，3.8V 以上因水分解出现不可逆氧化

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菱方相

Rhombohedcral(R-PW)

Na_1.92Fe[Fe(CN)₆]·0.08H₂O

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R3空间群(国际晶体学联合会 IUCr 定义的 230 种空间群之一)

形成条件：部分脱水(去除大部分间隙水）

性能特点：接近理论容量，电压平台尖锐(水致极化降低)，结构略有畸变

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立方相

Cubic(C-PW)

Na_1.7Fe_2.2(CN)₆·0.19H₂O

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Fm^-3m空间群(国际晶体学联合会 IUCr 定义的 230 种空间群之一)

形成条件：低钠含量或菱面体相再吸水后

性能特点：钠离子通道各向同性，有望实现峰值倍率性能，部分研究显示容量和库仑效率优良

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小结

SUMMARY

材料层面：具备开放框架、双电子容量、可调水合度等特性，兼顾快速离子迁移率与结构稳定性

供应链层面：依赖钠、铁等地球储量丰富的原料，解决电池行业长期面临的供应安全与价格稳定性难题

行业格局层面：标志着创新主体多元化，除传统电池巨头外，跨界企业（如原制药企业）成为新的创新来源

Rigaku Vlog

关于理学

自 1951 年创立以来，理学在 X 射线检测领域深耕七十余载。依托深厚的技术积淀与持续的创新突破，我们打造了覆盖电池产业全流程、全场景的 X 射线解决方案体系。从原材料分析到制程优化，从实验室研发到智能化生产，理学的专业技术与服务已赋能全球顶尖电池企业，始终以精准可靠的检测技术为产业发展保驾护航。未来，我们将继续以创新为核心驱动力，致力于为全球客户提供更安全、更高效的解决方案。

参考文献

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