超分子自组装
超分子自组装体系的制备及性质研究
超分子自组装体系的制备及性质研究自组装是一种自然界普遍存在的现象，也是许多生命体系起源和进化的基础。
超分子自组装体系是指由分子、离子或原子等自发性组装而成的具有特定结构和功能的超分子体系。
在这个体系中，分子之间通过非共价作用力产生互相作用，从而组成具有自组装、自修复、自识别、自动化学反应等多种性质的结构。
本文将介绍超分子自组装体系的制备及其性质研究。
一、超分子自组装体系制备方法1. 溶剂挥发法溶剂挥发法是一种简单有效的制备超分子自组装体系的方法。
该方法的基本原理是：先将溶剂中的物质溶解均匀，后使溶剂慢慢挥发，待剩余物质浓缩到一定程度时即自行组装成超分子自组装体系。
其中，溶剂挥发的速度决定了最终自组装结构的形态和大小。
这种方法在适宜的条件下制备出的超分子自组装体系呈现出高度的自组装性、空间组织性和遗传性等性质。
2. 离子自组装法离子自组装法是指利用溶液中正负电荷相互吸引的原理，将具有相同或不同电荷的离子有序排列起来，形成高度组织有序的超分子自组装体系。
该方法具有简单、易于制备、重现性好等优点，适用于制备分子形成的有序结构、微颗粒和金属有机体系等超分子自组装体系。
3. 共价键自组装法共价键自组装法是一种采用化学反应固定其构型的方法，在此基础上发展出了无机化学自组装、配位化学自组装、化学交联和生物自组装等多种自组装体系。
其中，无机化学自组装体系的特点是具有灵活的构型和多样的组成结构，与其它自组装体系研究起来便于组装过程的可控性有所不同。
二、超分子自组装体系性质研究超分子自组装体系具有独特的理化性质和生物活性，广泛应用于医药、材料、生物等领域。
下面我们介绍几种常见的超分子自组装体系性质研究方法：1. 能量分散X射线光谱(EDS)EDS是一种能够确定微区化学成分和元素准确位置的技术。
这种技术可以对具有晶格结构的物体进行分析，并可以实现元素图片的制作。
通过EDS技术，可以准确地确定物体化学成分和分布情况，为材料学、材料科学、生物科学等提供了可靠的分析手段。
超分子材料的自组装行为研究
超分子材料的自组装行为研究超分子材料是一类基于分子间相互作用而构建的材料，其自组装行为一直是材料科学和化学领域的研究重点。
通过自组装，分子可以自发地形成有序的超分子结构，从而展现出独特的性能和功能。
本文将从自组装的定义、原理、方法和应用等方面，探讨超分子材料的自组装行为研究。
在超分子材料的研究中，自组装是一个关键的过程。
自组装是指分子在特定条件下通过非共价相互作用（如氢键、范德华力、疏水作用等）有序地组装成特定结构的过程。
因此，自组装是一种富有潜力的方法，可以用于构建高度有序的材料结构。
自组装的原理是基于分子间相互作用的能力。
在超分子材料的自组装中，分子间的相互作用起到了决定性的作用。
例如，氢键是一种常见的相互作用方式，它可以使分子在空间中有序地排列。
此外，范德华力和疏水相互作用等也可以稳定材料的自组装结构。
自组装还可以通过多种方法实现。
其中，溶剂蒸发法是一种常用的方法。
通过在溶剂中溶解超分子材料的分子，然后蒸发溶剂，分子会随着溶剂的蒸发而自发地自组装成有序结构。
此外，还有通过温度和pH等条件变化来控制自组装行为的方法。
超分子材料的自组装行为研究不仅在理论上具有重要意义，也有极大的应用潜力。
例如，在药物传递方面，研究人员可以通过调控超分子材料的自组装行为，实现药物的准确控释和靶向传递。
此外，超分子材料的自组装还可以应用于柔性电子器件、光电材料以及能源存储等领域。
随着研究的不断深入，超分子材料的自组装行为已经取得了一系列重要的进展。
研究人员通过设计新型分子和调控条件，实现了对自组装结构的精确控制。
此外，一些先进的表征手段，如扫描电子显微镜和透射电子显微镜等，也为材料研究提供了重要的支持。
尽管研究人员在超分子材料的自组装行为研究中取得了重要进展，但仍然存在一些挑战。
例如，如何实现对自组装结构的准确控制仍然是一个难题。
此外，材料的稳定性和可控性也是需要进一步研究的重点。
总之，超分子材料的自组装行为研究具有重要的理论价值和应用前景。
超分子化学研究中的自组装现象
超分子化学研究中的自组装现象超分子化学研究是当今化学界的热门研究领域之一，它以分子为基本单位，研究分子之间的相互作用和组装形成的结构性质。
其中，自组装现象是超分子化学研究中的一个关键点。
在这篇文章中，我们将探讨超分子化学研究中的自组装现象，从原理、应用等方面展开讨论。
一、自组装现象的基本原理自组装是指由分子之间的相互作用而形成的结构。
自组装具有以下几个基本特征：（1）无需外界能量的干扰即可自发进行；（2）由初始分子集合形成；（3）由静态平衡所确定。
其中，分子之间的诸多相互作用力是自组装现象的基本驱动力，其中包括静电作用力、范德华力、氢键作用力、金属配位作用力等。
自组装是一个自我组织的过程，涉及到分子之间的相互作用。
分子之间的作用力可为黏附力、范德华力、氢键力、离子键、金属配位键、静电力、π-π相互作用、水合力、疏水作用、磁相互作用等，而这些作用力的大小和特性不同，在自组装过程中发挥着不同的作用。
二、自组装现象的应用A、超分子化学超分子化学是指基于分子间非共价相互作用而实现物理、化学、生物学等领域的功能材料设计和构建。
这项技术通常涉及到自组装现象，可以用于制造材料、用于催化、在药物研究、基因方法和高分子合成等。
B、纳米技术纳米技术是一种能够制造纳米尺寸的物质和工具的知识体系。
纳米技术中的自组装技术是通过分子间的相互作用可以形成不同的结构，控制体系在纳米尺度下的结构和性能。
C、药物研究在药物研究中，自组装技术可以用于开发新型药物，如用于智能药物释放和治疗癌症的载体。
D、智能材料智能材料是指一类能够根据自身内在的能量和信息，自我调整、调节、感知、反应、适应甚至主动控制自身形态和性能的功能材料。
自组装技术在智能材料的设计上拥有重要的作用，从而实现智能电子器件、生物传感器等领域的技术应用。
三、自组装现象的发展与展望随着科技的不断推进，超分子化学作为一种新兴领域在分子材料科学与工程学中占有了举足轻重的地位。
超分子化学中的自组装现象
超分子化学中的自组装现象超分子化学是一门研究分子之间相互作用以及由此产生的自组装现象的学科。
自组装是指分子在没有外界干预的情况下，根据其内在的化学性质和空间构型，自发地组装成有序的超分子结构。
自组装现象在生物体内普遍存在，也在材料科学、纳米技术等领域具有重要应用价值。
自组装现象的研究源远流长。
早在19世纪，科学家们就开始对晶体结构进行研究，发现晶体是由原子或分子有序排列而成的。
这种有序排列是由分子之间的相互作用力所决定的。
随着科学技术的发展，人们逐渐认识到分子间的相互作用力不仅仅是简单的化学键，还包括范德华力、氢键、疏水作用等。
这些相互作用力的存在使得分子在特定条件下能够通过自组装形成各种有序的超分子结构。
自组装现象在生物体内的重要性不言而喻。
例如，蛋白质的折叠过程就是一种自组装现象。
蛋白质通过氢键、疏水作用等相互作用力，将氨基酸序列折叠成特定的三维结构，从而实现其功能。
此外，细胞膜的形成也是一种自组装现象。
细胞膜由脂质分子组成，脂质分子通过疏水作用自组装成双层结构，形成了细胞膜的基本骨架。
在材料科学领域，自组装现象也具有广泛的应用价值。
例如，通过控制分子间的相互作用力，可以制备出具有特定功能的纳米材料。
研究人员可以通过改变溶剂、温度、浓度等条件，来控制分子的自组装行为，从而制备出具有特定形状和性质的纳米结构。
这些纳米结构在光电子、催化、传感等领域都有着重要的应用。
除了生物体和材料科学领域，自组装现象还在药物传递、环境修复等领域具有潜在的应用价值。
例如，研究人员可以通过控制分子间的相互作用力，将药物分子自组装成纳米粒子，以提高药物的溶解度和稳定性，从而实现药物的高效传递。
此外，自组装现象还可以应用于环境修复领域，通过控制分子的自组装行为，将有害物质吸附在纳米材料上，从而实现对污染物的高效去除。
总之，超分子化学中的自组装现象是一门具有重要理论意义和实际应用价值的学科。
通过研究分子间的相互作用力和自组装行为，我们可以深入理解生物体的功能机制，制备出具有特定功能的纳米材料，实现药物的高效传递，以及对环境污染物的高效去除。
超分子自组装
三、超分子化学、分子组装、超分 子组装及自组装
分子间相互作用的应用领域十分广阔，除了在生命 科学、高分子改性等领域外，过去20年里，在超分子化学 中尤其占有重要地位。所谓超分子化学，正如Lehn在其诺 贝尔演讲中所述：“Supermolecular Chemistry may be defined as chemistry beyond the molecule.”。一般地讲， 超分子体系是由一种或两种以上化学物质经过非共价键缔 合而成，它具有较高的结构复杂性。超分子化学的严格定 义必须包括分子识别、分子转变及分子易位过程。所以超 分子化学不仅包括化学、生物及物理问题，而且包括很多 技术问题。超分子化学研究的内容与主-客体化学（HostGuest Chemistry）、生物有机化学、生物无机化学、两 亲化合物、液晶、分子器件、新型超分子化合物的合成等 有关，其中关于分子组装、超分子组装及自组装的讨论很 多。
五、综述
超分子自组装机理，不仅阐明了所观察到的实验现象，而且 对其他不规则大分子自组装具有指导作用。由于诸多的自然现象， 如血管、腔肠和植物茎杆都是由有机分子通过宏观自组装形成的， 研究成果对相关学科的发展提供了有益的启示。 超分子组装技术的研究自起步以来已取得了很多非常有意义的 研究成果。有理由相信，随着超分子自组装技术的进一步发展， 超分子的各种奇异性质和功能必将得到更充分的发挥和利用，将 在科技、生产、生活等各领域发挥越来越大的作用，将成为21世 纪有重大突破的领域。
目前文献中所报道的纳米团簇超分子化学组装方法可 分为两类： 一类是利用胶体的自组装特性使团簇组装成 胶态晶体，得到二维或三维的纳米团簇超晶格；另一类 是利用纳米团簇与组装模板之间的分子识别来完成纳米 团簇的组装。 1.胶态晶体法 众所周知，胶体具有自组装的特性，而纳米团簇又很 容易在溶剂中分散形成胶体溶液，因此，只要具备合适 这一自组装过程所需要的条件［4］是：(1) 硬球排斥， (2) 统一的粒径，(3) 粒子间的范德华力和(4)体系逐渐的 去稳定。其中条件(1)和(3)是纳米团簇胶体溶液体系本身 固有的性质，条件(2)主要通过纳米团簇制备条件的控制 和适当分离方法的应用来实现［5］，因此实际上组装过 程中的可操作因素主要是胶体溶液体系稳定性的控制。
超分子自组装材料的合成与应用
超分子自组装材料的合成与应用自组装是一种自然界中常见的现象，它指的是分子或物质通过非共价相互作用，在没有外部干预的情况下自发地组装成有序的结构。
超分子自组装材料就是利用这种自组装现象，通过设计合成特定的分子结构，实现材料的自组装和自组织，从而获得具有特殊性质和功能的材料。
本文将介绍超分子自组装材料的合成方法以及其在各个领域的应用。
一、超分子自组装材料的合成方法超分子自组装材料的合成主要包括两个方面：一是设计和合成具有自组装性的分子结构，二是通过调控条件和方法，实现分子结构的自组装和自组织。
1. 分子结构设计超分子自组装材料的合成首先要设计具有自组装性的分子结构。
在设计中，可以利用分子间的非共价相互作用，如氢键、范德华力、π-π堆积等，来引导分子的自组装。
此外，还可以通过引入功能基团、调节分子的空间构型等方式，来调控分子的自组装性能。
2. 自组装条件与方法在合成过程中，需要调控条件和方法，使得分子能够自发地组装成有序的结构。
常用的方法包括溶剂调控、温度调控、pH值调控等。
此外，还可以利用表面活性剂、模板等辅助剂来引导分子的自组装。
二、超分子自组装材料的应用领域超分子自组装材料由于其独特的结构和性质，在各个领域都有广泛的应用。
1. 功能材料领域超分子自组装材料在功能材料领域有着重要的应用。
例如，通过调控分子的自组装性能，可以合成具有特殊光学、电学、磁学等性质的材料，用于光电器件、传感器、催化剂等方面。
2. 药物传递领域超分子自组装材料在药物传递领域也有着广泛的应用。
通过设计合成具有自组装性的分子结构，可以将药物包裹在材料中，实现药物的控释和靶向输送，提高药物的疗效和减轻副作用。
3. 纳米技术领域超分子自组装材料在纳米技术领域也有着重要的应用。
通过调控分子的自组装性能，可以合成具有特殊形态和结构的纳米材料，如纳米颗粒、纳米管等，用于纳米传感器、纳米电子器件等方面。
4. 环境治理领域超分子自组装材料在环境治理领域也有着潜在的应用。
超分子自组装材料的合成及应用
超分子自组装材料的合成及应用自组装是一种具有自发性和规律性的物理过程，可以在不需要外部干预的情况下形成有序、稳定的体系。
自组装材料是一种重要的材料科学研究领域，近年来受到了广泛的关注和研究。
超分子自组装材料作为自组装材料的分支之一，是应用最广泛的一种，它具有许多优越的特性，如高度有序性、可预测性、开放性等。
本文将介绍超分子自组装材料的合成方法及其应用研究现状。
一、超分子自组装材料的合成方法超分子自组装材料的合成方法非常多样化，涉及到多种有机化学、物理化学等知识。
下面将介绍一些常用的方法。
1. 溶液法溶液法是超分子自组装材料最常用的合成方法之一。
该方法适用于将有机分子或金属离子通过氢键、范德华力、离子键等相互作用组装成超分子结构。
在该方法中，通常选择适量的有机溶剂，将反应物溶解在其中，控制温度和反应物浓度，使其发生自组装反应。
在反应中，溶液中的物种会自发形成空间有序性较高的超分子结构，形成晶体或胶体等材料。
2. 涂层法涂层法是将预先有机化学反应得到的化合物涂在基材上，再进行热处理或光照等条件下自组装成超分子结构。
涂层法一般适用于制备表面自组装材料和壳层自组装材料等。
该方法可以采用喷雾涂覆、悬滴涂覆等不同的涂层方式，具有简便、易操作等特点。
3. 模板法模板法是利用外部模板或生物模板的作用，将小分子或高分子有机分子以不同的方式组合成超分子材料。
该法包括硅胶溶胶法、电镀法、微乳液法等。
模板法的优点在于可以精确地控制纳米结构的形态、大小和组成等，制备的超分子材料具有具有明显的分子识别、催化反应等应用前景。
二、超分子自组装材料应用的研究现状超分子自组装材料具有广泛的应用前景，尤其注重在生物医学和能源领域的研究。
下面分别介绍两个领域的应用现状。
1. 生物医学领域超分子自组装材料在生物医学领域有着广泛的应用，包括基因传递、药物控释、生物成像、生物仿生等领域。
利用超分子自组装材料可控制自组装体的结构和性质，形成不同形态的纳米粒子，实现药物释放的规范化、有选择性地传递DNA片段和小分子药物，将具有明显治疗效果的药物与纳米材料结合起来，提高生物体对其的可持续利用率。
超分子自组装的基本原理和应用
超分子自组装的基本原理和应用超分子自组装是一种自然界普遍存在的现象，也是一种新兴的科学研究领域。
它源于分子自组装，在分子层面上实现了自组组装，从而形成了更为复杂和功能性的超分子结构。
这种自组装过程既简单又神奇，被广泛应用于化学、生物学、材料学等领域，展现出了极其广泛的应用前景。
本文将着重探讨超分子自组装的基本原理和应用。
一、超分子自组装的基本原理超分子自组装的基本原理是靠分子间的非共价作用力（如范德华力、静电作用力、氢键、疏水作用等）来实现的。
这些作用力，来源于分子间的相互作用和键合，而不是来自于共价键。
因此，这种自组装过程不仅仅是化学反应，而更像是一种热力学平衡过程。
在这种平衡过程中，自组装的超分子结构具有高度的稳定性和适应性。
同时，这种自组装也具有很高的快速性和简便性，能够在不需要外界介入的情况下自发完成。
二、超分子自组装的应用1、药物传输和纳米医疗超分子自组装可以用于药物传输和纳米医疗。
药物分子可以与载体分子（如脂质、高分子等）自组装形成纳米粒子，从而增加药物的溶解度和稳定性，提高药物的生物利用度，实现靶向释放。
同时，这种自组装的纳米结构具有良好的生物相容性和低毒性，能够用于生物传感和诊断。
2、高分子材料与超分子自组装高分子材料与超分子自组装的有机结合，不仅能够增加材料的稳定性和耐久性，而且还可以实现材料的形态调控和性能优化。
例如，超分子自组装可以用于高分子降解性的调控、表面性质的改变、荧光分子探针的设计等。
3、光、电和催化材料超分子自组装还可以应用于光、电和催化材料领域，在这些领域中，超分子自组装的特殊结构和功能起到了非常关键的作用。
例如，催化剂在吸附分子时能够通过超分子自组装的方式实现更高的活性面积和更完整的基元，从而提高催化剂的催化性能和稳定性。
在电子材料领域，超分子自组装可以用于有机半导体、薄膜太阳能电池和OLED等领域的研究。
4、功能性大分子和智能材料超分子自组装还可以用于设计功能性大分子和智能材料。
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Supramolecular Amphiphiles
超分子两亲分子
主--客体 相互作用
电荷转移 相互作用
氢键 配位键
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Supramolecular Amphiphiles
偶氮苯与α-环糊精的主-客体相互作用
反式，低能态
顺式，高能态
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Self-assembled Monolayers
自组装膜（ Self-assembled Monolayers ）
自组装膜是活性分子通过自发吸附在基底上生成的有序分子膜 具有取向性好、排列紧密、结构稳定等特点 广泛应用于金属防腐、材料科学、医学等领域
相对传统有lf-assembly
Apr，18, 2012
Outline
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Supramolecular Amphiphiles Self-assembled Monolayers Layer-by-Layer Assembly
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Supramolecular Amphiphiles
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Self-assembled Monolayers
软 刻 蚀 （ Soft lithography ）
制作刚性硬模板
浇铸预聚物 PDMS
Au/Ti
固化后剥离 PDMS
SAM
图 1 PDMS模板的加工
图 2 微接触印刷过程
软刻蚀是一类基于自组装和复制模塑等原理的非光刻微米和纳米加工方法 技术环节主要分为弹性模板/印章的制作、微接触印刷成膜等步骤 目前, 软刻蚀技术的研究还处于初步探索阶段, 发展前景非常广阔，能够应 用于微电子、微光学、生物技术等领域 施雷庭老师小组内部交流
与基底的粘合力强，无论基底的外形，都能均匀形成自组装膜 自组装膜的厚度可控制在纳米级别 没有改变金属的外观形貌和除亲水性之外的其他绝大多数性质
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Self-assembled Monolayers
烷基硫醇在金表面的吸附
RSH + Au RS- - Au+
Gold thiolate
13
Self-assembled Monolayers
软 刻 蚀 （ Soft lithography ）
图1 用滚动模板在平面上形成图案
图2 用平面模板在曲面上形成图案
软刻蚀相比刚性刻蚀（如光刻蚀）的优势
相对其他微刻手段，能以更低的成本达到100 nm以下精度的刻蚀 能有效的在非平面基底（如曲面）上进行刻蚀，见图1，图2 能够引入特殊化学基团
hv
O SO2
CH
CH2
CH
CH2
静电力自组装
共价键结合
既利用了自组装的自发性、操作便捷性，又实现了共价
键形式的连接稳定性 为组装更稳定的多层膜提供了途径
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Layer-by-Layer Assembly
制备超疏水表面
1，羧酸硫醇在金表面的吸附成膜
4，硫醇再次在金表面吸附成膜
与单分子两亲物质相比，两亲性聚集体在分子尺寸、
选择性吸附等方面具有独特的功能特性
由于这种自组装在一定条件下是可逆的，因此，通
过改变聚集体所处环境（光照、pH值），能够控制
聚集体的两亲特性
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Supramolecular Amphiphiles Self-assembled Monolayers Layer-by-Layer Assembly
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Self-assembled Monolayers
表面修饰
化学防腐 可控电极
软刻蚀技术
SAMs的应用
分子识别
润湿性调节
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Self-assembled Monolayers 表面性质调控——润湿性调节
疏水
亲 水 表 面
疏 水 表 面
CA~70o
CA~120o
CH2 NH SO3-
聚乙烯基吡啶 PVP
聚丙烯酸 PAA
N2 +
CH
CH2
阳离子聚合物 DAR
阴离子聚合物 PSS
OH…N
阳离子 吸附 水洗
阴离子 吸附 水洗
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Layer-by-Layer Assembly
共价键连接的多层膜
CH2 NH NH CH2
hv
N 2+ SO3-
2，PDDA(阳离子)与PSS（阴离子） 基于静电力组装成膜
3，通过电化学沉积，金在多层膜表 面形成纳米结构薄膜 19
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讨论
谢 谢！
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Outline
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Supramolecular Amphiphiles Self-assembled Monolayers Layer-by-Layer Assembly
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Layer-by-Layer Assembly
基于氢键的自组装多层膜 基于静电力的自组装多层膜
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Supramolecular Amphiphiles
偶氮苯与α-环糊精的主-客体相互作用
亲水
AzoC10的顺反异构转换
疏水
光控超分子两亲分子
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Supramolecular Amphiphiles
小结
由于自组装在一定环境下是自发的，因此，其为构
建具有两亲性质的聚集体提供了一条新的便捷思路
金性质稳定，但环境中有Cl-、Br-、I等离子存在时，仍有可能会受到腐蚀
硫醇的链越长，硫醇自组膜越稳定， 缺陷越少，膜越厚，防腐性能越好
self-assembled monolayer of dendron thiol on gold surface
树枝状硫醇能够提高自组膜的密度 和强度，减小膜缺陷，增强膜耐受性
超分子两亲分子（Supramolecular Amphiphiles）
由两种或两种以上分子单体结合而成 这种结合是一种非共价键形式的结合，依赖的是分子间相
互作用力
超分子聚集体具有两亲性质
亲水端 疏水端
intermolecular interaction
相互独立的两亲分子
具有两亲性的聚集体
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Self-assembled Monolayers
通过调节pH值控制质子化膜电极的通路与断路
Fe（CN）63-
e-
e-
e-
e-
Au
Low pH 低pH条件下，羧酸根的电离被抑 制，电子能在电极间相互转移
High pH 高pH条件下，羧酸根能充分电离， 电子不能在电极间相互转移