表面化学的具体应用

表面的定义

　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（surfase）。

表面化学的定义

凡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（interfase phenomena）或表面现象（surfase 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。

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、金属表面暴露在氧气中时生锈。

4、电子工业中，制作半导体元件。

2007年诺贝尔化学奖表彰的是表面化学的突破性研究。这个领域对化工产业影响巨大，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，表面化学研究有助于我们理解各种不同的过程，比如为何铁会生锈，燃料电池如何发挥作用以及我们汽车中加入的催化剂如何工作。表面化学研究甚至可以解释臭氧层的破坏。此外，半导体产业的发展与表面化学研究也是息息相关。

得利于半导体行业的发展，表面化学从20世纪60年代开始发展起来。Gerhard Ertl是最初觉察到这种新技术潜力的科学家之一。通过逐步的实验研究，他为表面化学开创了一种新的研究方法，即怎样用不同的实验步骤来描绘出一个完整的表面反应画面。这种方法需要高真空的实验装备，目的是用来观测单层原子和分子在金属等材料极纯表面上发生的行为。只有这样，才能测定到底哪种元素能够进入系统，而污染会损害所有的测量。正因如此，成功实验这一方法需要高度的精确性，以及将许多不同的实验技巧结合起来的能力。

Gerhard Ertl开创了一种全新的实验学派， 证明了即使在如此高难度的领域也可以得到可靠的结果。他的远见卓识为现代表面化学研究奠定了基础。他的方法论不仅仅被应用于学术研究，还包括化学过程相关产业的发展。

尤其值得一提的是，Gerhard Ertl开发的人造肥料制造方法不仅仅基于他对哈伯－博施法（Haber-Bosch process，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）的研究，他同时利用铁的表面作为催化剂。这一成果带来了难以估量的经济效益，因为通常作物对氮的利用率十分有限。此外，Ertl还研究了一氧化碳在铂表面催化下的氧化反应，现在汽车中利用催化剂实现一氧化碳的清洁排放正是基于该项研究的成果。

---