[科普中国]-表面化学

物理化学一分支。研究在相的界面上发生的物理和化学现象的一门学科。主要包括表面能、表面张力、吸附、催化和电动现象等方面的研究。如色层分析、萃取、离子交换、接触催化、泡沫浮选等的原理和方法等均属表面化学研究范围。1

定义表面化学是一门关于固体和液体表面或相界面的物理和化学性质的学科。

它的内容包括，如溶质在溶液表面上的吸附和分凝，液体在固体表面上的浸润，气体在固体表面上的吸附等都与生产实际联系紧密。早期的表面化学研究主要是对有关的表面或界面性质的唯象描述。本世纪60年代以来，由于与固体表面有关的一些重要的技术领域，如固体材料、器件，多相催化等进一步发展的需要，在固体理论的发展，超高真空和电子检测技术的进步，以及在原子尺度上进行固体表面分析的技术和设备的开发的基础上，表面化学研究主要是在原子尺度上对金属、半导体等固体表面进行成分、结构和电子、声子状态的分析，阐明表面化学键的性质及其与表面物理、化学性质间的联系，从而成为新兴学科——表面科学的一个重要组成部分。1

简介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。

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。

埃特尔的表面化学埃特尔的工作始于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(Haber－Bosch)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。

表面化学应用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。

本词条内容贡献者为:

蒲富永 - 教授 - 西南大学