無所不在的表面化學與表面催化

2020-03-03 23:34  閱讀 855 次

兩種不同狀態物質之間緊密接觸的過渡區稱為界面,若其中一邊為氣體,這種界面通常也稱為表面。在界面上所發生的物理化學現象統稱為界面現象或表面現象,而研究各種表面上化學和反應過程的科學稱為表面化學和表面催化。我們設想當一個分子與固體表面相互作用時,它可能被彈起或者被表面吸附,而后者將帶來許多有趣的結果。一種情況是分子直接在表面上解離;還有一種可能是分子和表面原子發生反應從而改變表面的化學性質;第三種可能是被吸附的分子遇見了另一個被吸附的分子,于是在表面發生化學反應。這些與表面相關的化學現象在我們生活中無處不在而又異乎尋常的重要。
你在身邊能看到諸多的腐蝕現象正是由于表面的化學反應所致,據統計每年由于腐蝕造成的損失占國民經濟的4%;腐蝕所帶來的損害能夠通過改進固體表面的成分加以改進,一層在空氣中形成的氧化膜就可以有效地保護它們。在微電子產業中,大多數薄層半導體是通過化學氣相沉積法生產的;這種方法將兩種或兩種以上的氣態原材料導入到一個反應室內,然后相互之間發生化學反應,形成一種新的功能薄膜材料。表面化學最為重要的應用是在多相催化,氣體分子在固體表面上進行高效催化循環,實現快速高選擇性反應;該過程貢獻了世界上 GDP 總量的20%左右。汽車尾氣的消除、合成氨反應、石油化工、煤化工等在我們身邊發生的重要反應都是依賴于表面催化作用。
合成氨過程是最重要的多相催化反應之一,其關鍵是熔鐵催化劑表面上 N2 和 H2 分子的活化,以及生成 NH3 分子的過程。上世紀初, Fritz Haber 發現合成氨催化劑,后來 Carl Bosch 等人利用高壓化學法實現工業化過程。合成氨催化劑的發現不僅啟動了現代化學工業,也宣告了現代農業的到來。兩人也因此分別獲得1918年和1931年諾貝爾化學獎。但是像許多多相催化過程一樣,那時人們對于催化劑表面反應過程的理解非常有限,催化過程基本上被認為是一個黑箱過程,而催化劑的合成更多是采用經驗式的炒菜模式。從上個世紀六七十年代開始,得益于真空技術的發展以及現代表面研究方法的出現,人們可以構建模型表面進行表面催化研究,實現在原子和分子層次上對表面反應進行微觀理解。特別是以 Gerhard Ertl 教授為代表的一批科學家在這個領域中作出了開創性的成果,使得人們能夠對合成氨過程中鐵催化劑上表面催化反應的原子和分子過程有了清晰的認識。 Ertl 教授也由于他在表面化學研究領域作出開拓性貢獻獲得2007年的諾貝爾化學獎。我們看到在一個催化反應中歷經了近百年的努力,從催化劑的發現、催化過程的工業化、到催化機理的認識,這個過程中催生了三位諾貝爾獎得主,這也說明了多相催化和表面化學存在的巨大機遇和長期挑戰。
經過幾代科學家的不懈努力,表面催化已經形成了系統的理論和成熟的研究方法,為幫助人們在實際催化體系中更深入地認識表面催化的本質起到了重要作用。人們可以將這些理論和方法運用到不同的催化體系中,從而產生出更驚人的科學新發現。但是基于規整的模型表面和超高空的環境下所開展的表面催化也存在一些局限性:所研究的模型催化材料與實際催化劑相差甚遠;所要求的超高真空測試環境與實際反應下的常壓甚至高壓條件有很大差別。當前表面催化研究正在拓展到納米甚至生物領域,表面科學研究技術更多地在接近常壓條件下進行原位表征,這方面的研究近年來日新月異。
中國也是較早開始表面化學和表面催化研究的國家之一。1933年,張大煜先生在獲得德國德累斯頓工業大學博士學位后,回國在中科院大連化物所開創和發展表面催化的研究;提出了表面鍵理論的設想,并以此為指導,研制成功了合成氨新流程3個催化劑,在當時達到了國際先進水平。大連化物所郭燮賢院士先后提出了表面“空位”對吸附和催化反應作用的概念,以及氫和一氧化碳活化吸附方面的“易位吸附”和“協同機理”的新概念。復旦大學的鄧景發院士在國內較早建成了從分子水平研究表面吸附和催化過程的表面催化實驗室。當前針對表面催化研究的新形勢,一批中青年科學家正在進一步推動表面催化研究向新的領域發展,此方面的研究方興未艾,人們有理由期待新的成果和發現將不斷出現。
作者系中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室研究員

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