【催化】多相催化必须关注的问题：表面物理化学

表面物理化学是物理化学中的重要分支之一，主要涵盖表面化学与物理。表面物理化学探究 固体表面物理化学过程的基本原理，在多相催化、电化学、能源化学以及纳米科技等领域具有广泛的应用。

瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会2007年10月10日宣布, 将2007年度诺贝尔化学奖授予德国科学家埃特尔( Gerhard Ertl) , 以表彰他在“ 固体表面化学过程” 研究中做出的贡献。那天正好是埃特尔71岁生日, 这个奖对他无疑是最好的生日礼物。 对于表面化学学科乃至整个化学界, 这也是一份珍贵的礼物。

Gerhard Ertl教授曾指出“整个纳米技术领域实际上就是由表面反应控制的”。随着现代表面科学技术的快速发展和理论化学的进步，人们现在可以在原子和分子层次上揭示表面物理化学过程。

要掌握催化反应的确切机理就必须能在分子尺度上研究表面性质(物理和电子结构) 和气相分子与固体表面相互作用。

表面物理化学的重要研究方向之一是表面催化

催化的核心使命是以更加经济、高效和环境友好的方式将原料转化为具有高附加值的化工品和 燃料等，涉及化学、食品、医药、汽车以及石油化工等重大支柱性产业，在人类文明进步和经济发 展中占有举足轻重的地位。催化一般分为多相与均相催化。在能源和化工等规模化化学工业生产中，90%以上的过程涉及多相催化。

多相催化研究经历了长期的历史发展过程，不断汲取和借鉴化学及相关学科中发展起来的新的科学原理、方法和技术来探索催化过程中的基本化学和物理性质。

多相催化过程主要在催化剂固体表面或界面上发生其研究通常分为两部分：

1、从固体表面的视角，包括固体表界面组成、结构、电子性质和能量等；

2、从反应分子的视角，包括分子结构变迁与化学键的断裂和形成。

催化化学的研究关键是揭示催化转化过程中的构-效关系，即催化体系的结构与性能之间的关系。

多相催化的研究极为复杂，需要多学科的综合交叉，涉及化学与物理，表面与反应工程，理论与实验，谱学与动力学，以及纳米科技与材料科学等等。工业催化剂是复杂的材料，其物理和化学特性往往依赖于其组成、结构、形态和粒子形貌等参数。因此，多相催化基本原理的发展大多依赖于对理想反应器中、温和条件下的模型催化剂和模型催化反应体系的研究，而不是实际工业生产条件下、混合进料体系以及复杂反应器中的商用催化剂的催化性能数据。但这些模型催化体系的研究推动了催化科学的发展，引导着人们开发新的催化剂和催化过程。

实验室中的催化研究通常涉及实用催化剂的设计制备和催化反应性能。前者涉及固体表面的活性位点(或活性中心)，包括活性位点的原子结构与组分及其在反应条件下的动态变化；后者包括过程条件下目标产物的选择性、反应速率、催化剂寿命以及活性位点的可接触性等。

要揭示这些催化基本原理，原子或分子层次的研究方法与技术是必不可少的。催化本质上是 动力学过程，无论是在动力学数据测量还是活性位点的结构与成份变化、反应机理以及催化过程中体系的能量变化的研究中，超高空间和时间分辨的检测技术均发挥了重要作用，这涉及到表面物理化学的方方面面7。

然而，由于技术方法的本身限制，催化原理的研究常常缺乏翔实的可用数据，如催化反应机理， 反应活性中间物种的检测、基元反应步骤的确定以及反应过程的能量变化等。在大量实验数据的基础上，人们也发展了诸多理论与计算方法来分析这些数据、建立模型、探讨催化机理与规律。因此，实验与理论的紧密结合对于催化研究至关重要。

多相催化中的表面物理化学研究涵盖了催化剂的设计与制备、催化反应性能、表面活性位点、 反应机理和能量变化等方面开展实验与理论相结合的研究。特别地，人们期望能够综合利用超高空间和时间分辨的表面科学技术与方法，在原子和分子水平上对实用和模型催化剂表面的物理和化学过程进行详细的研究，为新型催化体系的研发提供科学基础。

在多相催化模型研究中，人们通常关注以下关键科学问题：

(1) 催化剂表面活性位点的结构与动态演化，涉及金属颗粒的尺寸与形貌，以及电子性质的调控与催化性能的关联。不同晶面的催化活性差异，金属-载体界面结构、电荷转移与催化 性能，以及反应过程中表面组成与相变等导致的活性位点变化。

(2) 表面位点与反应分子间的作用，包括反应分子诱导的结构变化，位点-分子和分子间的电荷转移与能量传递等。