表面化學簡介

文章編號：1005－6629(2008)01－0001－04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

2007年10月10日，瑞典皇家科學院諾貝爾獎評委會宣布，德國馬普弗利茲-哈伯研究所科學家格哈德·埃特爾（Gerhard Ertl）（圖1）獲得2007年諾貝爾化學獎。

格哈德·埃特爾，1936年10月10日生于德國斯圖加特，1965年在慕尼黑技術大學獲博士學位，現為德國馬普學會弗里茨-哈伯研究所（Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft Berlin，Germany）名譽教授。

頒獎文告指出，將諾貝爾化學獎授予格哈德·埃特爾是因為他在固體表面化學所作的開創性研究。表面化學對于化學工業很重要，它可以幫助我們了解不同的過程，例如鐵為什么生銹、燃料電池如何工作、汽車內催化劑如何起作用等；此外，表面化學反應對于許多工業生產起著重要作用，如人工肥料的生產；表面化學甚至能解釋臭氧層破壞；半導體工業也是與表面化學相關聯的領域。格哈德·埃特爾的觀察為現代表面化學提供了科學基礎，他的方法不僅被用于學術研究而且被用于化學工業研發。埃特爾將LEED（Low Energy Electron Diffraction，低能電子衍射）實驗和模擬相結合，定量地對氫在金屬如鈀、鉑或鎳表面的吸附行為進行描述。此項工作對目前的催化機理研究具有指導作用。在對氫的吸附研究中，埃特爾不但解決了多年來未解決的問題，即氫如何在金屬表面附著（圖2），而且還提出如何將LEED技術與其它實驗方法相結合進行科學研究。埃特爾的另一課題是基于哈伯-博施法（Haber-Bosch process，用氫和從空氣中提取的氮來直接合成人造肥料中包含的氨）的分子催化機理的研究。他利用光電子能譜證實在干凈的鐵表面存在氮原子，并構建了在鐵催化劑表面鐵-氮結構的詳細結構模型（圖3）。這一成果帶來了難以估量的經濟效益。另外，在研究一氧化碳氧化過程中，埃特爾首次在表面反應中觀察到反應速率的振蕩，也就是在鉑表面發生的一氧化碳氧化過程中，反應速率并不恒定，它隨時間而上下振蕩（圖4）。他和他的同事們認為鉑表面的部分區域會主要被一氧化碳覆蓋，而其他的一些區域則主要被氧氣分子覆蓋。因此，他們設計了光子發射電子顯微鏡（PEEM: Photon-Emission Electron Microscope）以觀測鉑金表面的亞微米（Sub-Micron）結構，并發現了具有非線性系統特征的有明暗區域形成行波（Standling Wave）、靶圖案（Target Pattern）、螺旋花紋（Spiral Pattern）甚至是混沌圖案（Chaotic Pattern）（圖5）。同時，他還建立了表面非線性反應動力學理論。將鉑催化劑上一氧化碳的氧化反應用于汽車尾氣處理，使得汽車一氧化碳的排放量逐年減少（圖6）。

埃特爾為整個表面化學學科確立了一套試驗思想，開創了一種全新的實驗學派，他的研究結果無論在深度還是廣度上都極大地加深了我們對表面化學的理解。諾獎文告也說明了：表面化學在現代科學發展中起著重要的作用。

表面化學是物理化學的一個分支，是在膠體化學基礎上發展起來的一門古老而又年輕的學科。它主要研究在物質兩相之間的界面上發生的物理化學過程。通常將氣-固、氣-液界面上發生的物理化學過程稱為表面化學，而在固-液、液-液界面上發生的物理化學過程稱為界面化學。但也有些學者將所有的界面過程化學問題都稱作表面化學或界面化學，并不是分得很嚴格。可以說在自然界和工農業生產及日常生活中，到處都存在著在與表面化學有關的問題，如：水珠滴在干凈的玻璃板上，就會自動鋪展；但如果水珠滴在荷葉上，情況則完全相反，此種現象都與表面化性質有關。

表面化學與許多學科，如：電器及通訊器材學科、材料科學、醫學、生物及分子生物學、土壤學、地質學、環境科學等都有密切聯系。它在工農業生產與人們日常生活中都有廣泛應用。如石油的開采、油漆涂料的生產、各種輕化工、日用化學品的制造、信息材料的制造、采礦中的浮選、環境污染的處理與防治。同時，食品、紡織、軍工、體育用品、農藥、建材等眾多領域都與膠體和表面化學有關。因此，可以夸張地說，表面化學已經滲透到國民經濟及人民生活的各個方面。

由于表面化學有著廣泛應用的前景，國外對表面化學的研究與人材培養十分重視，對表面化學十分關注。早在上世紀50-60年，許多發達國家的大學及集團公司內就成立了表面化學研究機構。如美國的Clarkson大學的膠體和表面化學研究所集中了幾個系科的教授、學者、數十位研究生及大批的國內外訪問學者從事表面化學的研發工作，是世界著名的表面化學研究中心，特別是在納米科學與均分散體系等方面有著突出的貢獻。英國Bristol大學的膠體和表面化學研究中心實力雄厚、設備先進，擁有多名世界著名教授，培養了大量研究生。德國馬普弗利茲-哈伯研究所（Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft），就是此次獲得諾貝爾化學獎的格哈德·埃特爾教授所在單位，在膠體和表面化學研究方面也獲得了顯著的成績，尤其是近年來在納米材料方面有很好的成就。俄國對膠體和表面化學研究的研發也非常重視，有多個國家實驗室及大學參與這方面的研究和人才培養。在膠體和表面化學學科發展過程中，著名的具有里程碑意義的穩定性理論（D.L.V.O.理論）中就有俄國科學家的貢獻。國外的許多大公司如：石油公司、日用化妝品公司、油漆涂料等公司都設有專門的膠體和表面化學方面的研究機構。在表面化學學科中著名的B.E.T.公式就是出自公司中從事表面化學工作的人員之手。正如諾貝爾化學獎的文告中指出的，表面化學不僅被用于學術研究而且被用于化學工業研發。國外的表面化學研究中很重要的特點是大學、研究所、公司企業的生產部門之間的合作密切，理論研究與應用技術結合得比較好，同時許多公司企業愿意在表面化學方面投入研發經費。因而自60年代以來，國外表面化學的研發成果也較快地促進了經濟的發展。我國在80年代前從事膠體和表面化學研究和教學工作的很少，能培養表面化學人才的僅兩所大學，也極少有企業參與并支持表面化學的研究，與國外比較是相對落后的。從80年代開始，國內發生了很大變化，從事膠體和表面化學研究的隊伍不斷壯大，有多所大學在培養膠體和表面化學的研究生。在80年代，原石油部率先與中科院合作成立聯合實驗室進行膠體和表面化學的研究。現在一些企業也開始組建研發機構，目前我國的膠體和表面化學的研究已廣泛展開，并在多個學科中取得良好的成績，如：分子有序組合、分子自組裝、納米材料、表面活性劑、半導體表面化學、基因芯片、復合材料等。目前也已將膠體和表面化學應用到生命科學、環境治理、石油開采、日化用品等領域。2006年10月，第12屆國際膠體和表面化學在北京召開，就可說明我國在這方面也取得了較好的成績。但與國外相比，我國的表面化學應用與研究的力量還比較薄弱， 自主創新的領域還不多，與產業部門的要求及實際需要相比差距較大。此外，還應充分認識到這一學科對相關學科的推動和促進作用以及在經濟發展中存在的巨大潛能。因此，我們要加強產學研之間的相互協作，進行一些開創性的研發工作，以提高膠體和表面化學在理論探索和經濟發展中的貢獻率。

現代測試技術的發展以及超高真空設備的不斷完善，有力地促進了表面化學自身的發展。從國內外刊物的報導及發展趨勢看，目前表面化學研發的內容主要有以下幾個方面。

1. 表面活性劑的物理化學研究

表面活性劑是一種具有兩親分子結構特征（親水性、親油性），易富集于界面，可改變界面性質，對界面的物理化學過程產生影響，能引起表面張力變化的精細化合物。表面活性劑在一定濃度下可以形成膠束，在給定條件下可具有各種特定的性能如：分散或絮聚、乳化或破乳、起泡或消泡、潤濕或抗粘、增稠或增溶、抗靜電以及防腐等一系列物化作用。國際上已有萬余種表面活性劑，2005年全世界的消費量高達1250萬噸，其中用于家用洗滌劑約640萬噸，制造個人護理100萬噸，工業應用約510萬噸。從這些數據可看出表面活性劑對人民生活和工業生產的重要性。我國在2006年表面活性劑的產量約150萬噸，品種約有2500個。其中民用占有55%，工業用占45%，由此可見我國在品種和產量上還遠遠不夠滿足需要。表面活性劑的實際應用非常廣泛，幾乎涉及到工農業生產和日常生活的各個領域。如：能源、化妝品、紡織、醫藥衛生、食品工業、礦產等。在能源中應用的有：利用表面活性劑的超低表面張力性能用作油藏的三次采油、節約用油以煤代油中的煤水漿、煤油漿以及煤-油-水三維新型新燃料，可以做到不降低熱值卻能節約用油40%以上。此外表面活性劑在制革、洗滌劑、造紙等行業中更是不可缺少的重要原材料之一。在所有應用的領域，都需對表面活性劑進行物理化學性能的測定和機理研究，這樣才能提高表面活性劑的利用效率。迄今為止，對表面活性劑的理論研究已有很大的進展：如采用中子散射、紅外反射光譜、磁共振等到先進儀器設備來研究表面活性劑在水溶液中的溶存狀態、膠團的形成機理、微乳的形成及其特性、表面活性劑的結構與性能關系等。近年來在表面活性劑的基礎理論研究中出現多項較新的研究動向都是比較新穎的。如：分子有序組合、分子自組裝以及表面活性劑分子在表面上的粘彈性測定，其中彈性模量參數可以預測表面活性劑的多項性能如起泡的穩定性等。另外還出現了對表面活性劑具有依賴性的分離技術，即利用表面活性劑的吸附、起泡、乳化等性能用于生物制品的分離提純及污染的防治等。所以表面活性劑是表面化學的重要研究方向和內容。

2固體表面化學的研究

2007年的諾貝爾化學獎，就是表彰格哈德·埃特爾教授在固體表面化學所作的開創性研究。固體表面化學也是近年來國內外大力開展的研究內容。這一領域的發展與高純材料和半導體元件的制備、吸附、催化等一系列電子通訊工業及化學化工、新材料工業的興起有關。這方面的研究難度較大，需要較先進的儀器設備如光電子能譜儀、低能電子衍射、電子能譜等。目前，我國已有一些單位具備這方面工作條件，可以開展這方面的研究工作。固體表面化學研究內容中另一個重要方面是：氣-固、氣-液之間的吸附、催化等性能的研究。因為這些研究內容是許多重要工業應用的基礎數據，也是目前環境治理中需要的數據資料，為催化、污染防治、染織、選礦、從海水中提取鎂及放射性元素鈾等領域提供理論指導。近年來對TiO2納米材料表面改性以提高光催化效率的工作取得了很大的進展，已在凈化空氣及環境治理中發揮了有益作用。此外，固體表面化學的光催化性能還用于新型光電材料的探索、環境治理中固化NOX、分解有機物、還原CO2等研究工作。

3 膜科學研究

膜科學研究是近幾十年來發展比較快的表面化學研究內容，已成為現今化學工業中不可缺少的實用工藝。在膜材料方面現已發展了許多有實用價值的膜。如無機陶瓷膜、玻璃態膜、高分子膜及液膜等，它們在分離提取工藝方面有其特有的應用價值。現已研究出反滲透膜（RO）、微濾膜（MF）、超濾膜（UF）、電滲析膜（ED）、氣體分離膜（GS）等。而近年來發展起來的催化功能膜，如可用于組成燃料電池的質子交換膜就是很有理論意義和實用價值的新材料。LB膜是用拉升的技術將水表面上的有機物質轉移到固體表面，可用于半導體技術、非線性光學、組裝分子器件、模擬生物膜等領域，也是現今研究凝聚態物理的一項新技術。另外，我國在模擬細胞膜方面也已做過很多研究，并研制成一些有效的抗癌藥物。

4分散體系表面化學研究

納米顆粒的制備過程及性能研究就是分散體系中表面化學研究的一個實例，這關系到納米顆粒在水體中的分散、聚集、穩定及表面改性等工藝過程。同樣這些技術也可用于食品、化妝品、涂料油漆等行業。分散體系表面化學研究有著理論與實際開拓的廣泛應用前景，如磁流液、電流變液的研究極具實用價值。它是一種具有對磁、電敏感的分散體系，加上電場或磁場就能使這種分散體系（能流動性的液體）立即轉變成固體，去掉電場或磁場就能使這種分散體系立即重新轉變成液體，有著良好的可逆性。磁流液、電流變液的性能提高后，一旦成功將會使機器人的傳動更簡化、汽車等傳動的結構更簡單，將引起機械制造工業的革命性變化，國外有專家估計：電流變液技術如能達到應用要求，業內年產值可達數十億美元。這對表面化學來說是一個機遇也是一項挑戰。

表面化學研究的領域還很多，限于篇幅本文不再一一敘述。此次格哈德·埃特爾教授因在固體表面化學領域所作的開創性研究而獲得2007年諾貝爾化學獎，就說明表面化學這一學科的重要性。我們相信，隨著科學的進步，表面化學將具有更廣闊的發展前景，同時也會在更多領域為人類的進步作貢獻。

參考文獻：

[1]姜兆華等. 應用表面化學與技術[M]. 哈爾濱工業大學出版社，2000.

[2]http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/

[3]王相田，胡黎明，胡英.膠體科學的現狀及發展[J].自然雜志，1997年19（4），227-230.

[4]Book of Abstracts of 12th International Conference on Surface and Colloid Science， October 15-20， 2006， Beijing， China.