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1、表面化学学科的发展及其应用（作者：丁丽兵 材料科学与工程学院 08405 班）一、表面化学的定义及研究对象铁为什么会生锈，燃料电池怎么发挥作用，汽车中的催化剂如何实现尾气的清洁排放，这些生活中的平凡现象常常被人忽略，也很少有人去探究其中的秘密。然而，今年的诺奖却认可了这个常常不受公众瞩目的科学领域表面化学。 固体表面是个神秘的世界,晶体的生长、凝聚、熔融、烧结和规整等过程,无一不从固体表面开始，而且在表面进行的化学反应的速度要比在固体内部快几十、几百以至几千倍尤其令人奇怪的是固体表现具有独特的催化作用，常见的吸附、解吸、活化、纯化，只有在固体表面才能顺利地进行。正因为如此，在本世纪年代后，一门
2、名叫固体表面化学的学科也应运而生了。它的任务是研究固体表面的原子组成、分子分布等，用一句简单的话来表述，那就是力图揭开固体表面的神秘面纱，使固体表面的种种奇异现象能得到解释。目前固体表面化学家对固体表面的认识可以说有如下三个层次第一是表面热力学,它研究表面原子集合性质,即原子的排列跟表面性质的关系 第二是固体表面的电子结构,这包括表面的原子的化学键、电荷迁移、电子发射等第三是固体表面动力学，它包括固体表面的吸附、解吸机理、表面催化、活化过程和机理等。二、表面化学的形成与提出物质的两相之间密切接触的过渡区称为界面（interface），若其中一相为气体，这种界面通常称为表面（surface）。凡
3、是在相界面上所发生的一切物理化学现象统称为界面现象（interface phenomena）或表面现象（surface phenomena）。 研究各种表面现象实质的科学称为表面化学。表面化学在 20 世纪 40 年代前，得到了迅猛发展，大量的研究成果被广泛应用于各生产部门，如涂料、建材、冶金、能源等行业；但就学科来说它只是作为物理化学的一个分支胶体化学。到了 60 年代末 70 年代初，人们从微观水平上对表面现象进行研究，使得表面化学得到飞速发展，表面化学作为一门基础学科的地位被真正确立。由于半导体工业的发展，现代表面化学于 60 年代开始出现。格哈德埃特尔（Gerhard Ertl）是首批
4、发现新技术潜力的科学家之一。他逐步建立表面化学的研究方法，向人们展示不同实验过程产生表面反应的全貌。这门科学需要先进的真空实验设备，以观察金属上原子和分子层次如何运作，确定何种物质被置入系统。格哈德埃特尔的观察为现化表面化学提供了科学基础，他的方法不仅被用于学术研究而且被用于化学工业研发。格哈德埃特尔发明的研究方法，基于他对哈伯-博施法的研究，应用哈伯-博施法可以从空气中提取氮，这一点具有重要的经济意义。埃特尔还对铂催化剂上一氧化碳氧化反应进行研究，这种化学反应主要发生在汽车催化剂中，以过滤汽车产生的废气。三、表面化学学科的发展过程谈到表面化学学科的发展过程，有一个人我们不得不提到，他就是我们
5、上面提及到的格哈德埃特尔（下面我们简称埃特尔），埃特尔为整个表面化学学科确立了一套试验思想，开创了一种全新的实验学派。埃特尔的工作始于 20 世纪 60 年代，那时，由于半导体工业的兴起，真空技术得到发展，现代表面化学开始出现。固体表面的化学反应非常活跃，因而需要先进的真空实验设备，格哈德埃特尔是最先发现新技术潜力的科学家之一。 这一领域看似晦涩，其实并不遥远。合成氨的研究就是一例。合成氨是人工化肥的主要有效成分，可以说是现代农业的基础之一。将氢气和氮气在催化剂的作用下人工合成氨，叫做哈伯博施(HaberBosch)法(这一方法的发明者弗里茨哈伯曾获得 1918 年的诺贝尔化学奖)。传统催化剂
6、用铁作为活性成分，氢气和氮气在上面发生反应，这正是表面化学的用武之地。然而传统的方法有一个步骤反应极慢，能耗很大。借助一些新的研究方法，埃特尔发现了这一过程的瓶颈所在，并完全阐明了氢气和氮气在铁催化剂表面反应的七个步骤。在了解反应过程之后，只要“疏通”最慢的那个环节，整个反应的效率就会大为改观。这就好比疏通了一个交通要道的堵车点。埃特尔的工作为研发新一代合成氨催化剂奠定了基础，具有重要的经济意义。 埃特尔的另一重要贡献是对在铂催化剂上一氧化碳氧化反应的研究。一氧化碳是汽车尾气中的有毒气体，在排到大气前，必须将其氧化成二氧化碳。埃特尔发现在反应的不同时相，几个反应步骤的速率变化很大，这一看似简单
7、的过程比哈伯博施反应还要复杂得多。埃特尔详尽研究了这一过程，他所使用的一些研究方法对于研究复杂介面上的化学反应具有极大的启示作用。 埃特尔的研究领域很广。他还用表面科学的方法和手段来研究很多相关领域的科学问题，包括燃料电池、臭氧层破坏等。他所发展出来的方法，广泛影响了表面化学的进展，而且他的实际影响并不仅仅在于学术研究，还涉及到农业和化学工业研发的多个方面。四、表面化学在现实生活与生产中的应用表面化学对于化学工业很重要，物质接触表面发生的化学反应对工业生产运作至关重要。同时，它可以帮助我们了解不同的过程，例如铁为什么生锈、燃料电池如何工作、汽车内催化剂如何工作等。此外，表面化学反应对于许多工业
8、生产起着重要作用，例如人工肥料的生产。表面化学甚至能解释臭气层破坏，半导体工业也是与表面化学相关联的科学领域。表面化学在现实生活生产中用途广泛，例如 1、清洗铂金表面的碳氧化物。2、空调系统中的氟利昂，通过小冰晶体表面化学反应破坏臭氧层。 3、金属表面暴露在空气中时生锈。 4、电子工业中，制作半导体元件。5、人造肥料中所含的氨，是通过氮和氢在金属（如教科书中提到的铂铑合金网）表面生成。在这里，我们主要论述现实应用的几个方面：（1）农业：空气中的免费氮肥 氮肥对于农业生产有着举足轻重的作用。空气中存在大量合成氨的免费原料氮气，但作物对氮的利用十分有限，那么我们可不可以直接利用空气中的氮呢？ 20
9、 世纪初发展而来的哈伯博施法， 用氢和从空气中提取的氮来直接合成人造肥料中包含的氨，这使得将大气中的氮制成氨成为可能。但是这种合成途径费钱费力，人们在寻找经济高效的催化剂方面又无收获，这一成果总没能顺利的应用于生产中。而埃特尔不仅弄清了合成氨的哈伯博施法的运作机制，而且通过研究发现，氨的合成反应在铁催化剂表面进行时效率会大大提高。 铁不会出现在反应的产物中， 但是可以促进反应的发生。化学家把这种角色称之为催化剂。但是铁如何促进了氮与氢的结合？利用一系列现代表面分析技术，埃特尔解决了这个难题：氮分子被铁的表面分解吸收，形成单个氮原子。氮原子然后与氢原子结合，产生氨分子。这一技术使氨合成产业化成为
10、现实，给人类社会的农业生产带来巨大的经济效益。 （2）工业：用于制造环保装备 由于汽油等的不完全燃烧，汽车排放的尾气中含有大量一氧化碳。如果不通过净化就排放会给人类生活造成危害。基于埃特尔有关一氧化碳在金属铂表面氧化过程的研究，现在汽车可以利用催化剂实现一氧化碳的清洁排放。 五、表面化学的发展方向探究（1）分析技术介入表面化学 早在十八世纪，人们就开始进行物质表面研究，例如催化、电化学以及表面相的热力学研究等等。上个世纪中叶，半导体工业和真空技术的迅速发展极大地促进了现代表面科学的进步。 北京大学物理化学研究所吴凯教授介绍说， 20 世纪 60 年代以后，各种表面分析技术不断涌现。20 世纪
11、80 年代发明的扫描隧道显微镜以及后来的原子力显微镜将表面分析技术的开发推上巅峰。这些表面分析技术成为人们探索表面的有力武器，将人们带到迷人的原子和分子世界，实现了人们一直渴望看到以及操控原子和分子的梦想。 吴凯介绍， “迄今为止，表面科学的分析技术和方法已经渗透到很多学科当中：催化、电化学、凝聚态物理、天体物理和化学、半导体、微电子学、材料学、生命科学以及环境科学等等。这种与别的学科的日益交融又反过来给表面科学提出新的课题和挑战，促使表面科学的工作者开发和建立新的表面分析技术和方法。” （2）开始更多涉及液体表面 半个多世纪以来，表面科学一直用于研究固体表面结构，电子和吸附反应已经取得了丰硕
12、的成果。比较而言，液体表面的研究却是寥寥无几。吴凯教授向记者介绍了其中的三方面原因，一是液体中的原子或分子比固体中更加活跃，更顽皮；二是很多表面科学的分析技术是在超高真空条件下应用的，而液体的蒸汽压很高，很容易破坏超高真空条件；三是很多液体是不导电的，而大多数的表面分析技术要求样品是导电的。不过近来由于分子束、低温技术以及化学方法的应用和建立，人们已经开始涉足含有液体表面的体系。含有液体的界面体系在很多应用领域都有重大意义：液体电化学，地下水污染处理，相转移催化，萃取分离，生物体系，医用材料，纳米材料合成等等。 六、表面化学在我国的研究现状我国也是较早开始催化和表面化学研究的国家之一。其研究历
13、史可以追溯到上世纪 30 年代。1933 年，我国科学家张大煜在获得德国德累斯顿工业大学博士学位后，回国开创和发展胶体化学和表面化学的研究。从 50 年代初开始，他致力于工业上广泛使用的催化剂担体研究，结合水煤气合成石油的钴催化剂和合成氨催化剂的催化性能研究，逐步建立了物理吸附、化学吸附等一系列研究方法，提出了表面键理论的设想，并以此为指导，研制成功了合成氨新流程的 3 个催化剂，在当时达到了国际先进水平。其中在表面化学研究方面特别值得一提的是已经故世的原大连化物所郭燮贤院士和原复旦大学的邓景发院士的工作。郭燮贤在基础研究方面先后提出了表面“空位”对吸附和催化反应作用的概念，以及氢和一氧化碳活
14、化吸附方面的“易位吸附”和“协同机理”的新概念等。邓景发自行设计、组装了多种近代能谱仪，在国内较早建成了一个从分子水平研究表面吸附和催化过程的表面催化实验室，系统开展了银系列催化剂的基础理论研究。七、我们身边的表面化学表面化学在我们日常生活中时刻都会接触和使用。路面的摩擦让我们能够行走和驾驶；冰面的光滑让我们享受着滑冰的刺激，大脑的比表面积大小决定着我们是否聪明。表面科学以这些普通的表面为研究对象，同时也解释着一些令人惊奇的有趣现象。 （1）超冷水：零度是水的冰点，零度以下温度的水都会变成固态，可是表面化学的研究者们则可以证实零下一百多摄氏度的水仍然是液态。他们在超高真空条件下，利用分子束技术
15、和同位素标记技术测量普通 H2O 分子和重水 D2O 分子在界面相互扩散的情况，以此来测量水分子的扩散系数。研究结果表明，在零下 133零下 111 摄氏度的温度范围内，水依然保持液态水的特征，因此认为在如此低的温度下存在着超冷水。这在人们的印象中是难以想象的，但这是事实。 （2）人造牙齿：以前表面科学很少涉足生命科学体系的研究，然而近年来表面科学技术迅速渗透到生命体系的研究中来。例如研究人造牙齿的表面结构在不同环境下的变化情况，对于人们开发出耐磨、抗腐蚀、长寿命的人造牙齿非常有意义。试想，如果人造牙齿在可口可乐和柠檬汁中的结构变化不一样，很显然人们在挑选饮料时就会犹豫不决，是喝可口可乐呢？还是柠檬汁？参考文献：1.百度百科2.科技日报：表面化学：我们身边的科学3.学科教育：表面化学研究什么
