2007 年诺贝尔化学奖简介

2007 年诺贝尔化学奖简介

[摘要]简要介绍了2007 年诺贝尔化学奖的成果，获得者德国科学家格哈德·埃特尔（Gerhard Ertl）在该成果的主要贡献在于对表面化学领域做出的开创性研究，对于学术研究、农业、化学工业等众多个实用领域具有深远的意义，为表面化学这门学科奠定了基础。

[关键词]应用；表面化学；诺贝尔化学奖

Introduction of the Noble Prize in Chemistry Abstract:This paper briefly introduces the Nobel Prize in chemistry 2007.TErtl for his initial studies of the surface chemistry .It is significantdustry，etc. His achievement has settled the foundation for the discipline

Key words:transcription application;surface chemistry;Nobel Prize in chem

2007 年10 月10 日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2007 年诺贝尔化学奖授予德国科学家格哈德·埃特尔。埃特尔的主要贡献是逐步建立深入研究表面化学的方法，以展示不同实验过程产生表面反应的全貌。

1 获奖人简介

埃特尔1936 年10 月10 日出生于德国斯图加特，1965 年获得慕尼黑技术大学物理化学博士学位。从1973 年开始，埃特尔担任路德维希－马克西米利安大学教授及该校物理化学研究所所长。自1997 年起，埃特尔教授就应聘为中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室国际顾问委员会委员，并同时应邀开始担任大连化物所《催化学报》的顾问。1986 年至2004 年，埃特尔出任德国马普学会弗里茨－哈伯研究所所长，目前他是这家研究所的名誉教授。埃特尔是1988 年以后获得诺贝尔化学奖的首位德国人。格哈德·埃特尔最重要的贡献，一是对表面化学的研究，二是对非线性动力学过程的研究。

2 主要成果

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，他

的发现不仅奠定了表面化学研究的方法论，更在诸多实际应用领域获得了重要研究成果。

2. 1 表面化学

物质的两相之间密切接触的过渡区称为界面(nterface），若其中一相为气体，这种界面通常称为表面（surface）。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 phenomen面现象（surfase phenomena），而研究各种表面实质的科学称为表面化学。

20 世纪60 年代末起，表面化学开始成为一项独立的基础学科。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) 。哈伯－博施(Haber-Bosch)合成氨过程是最重要的多相催化反之一，在这个过程中，空气中的氮气被分离并转化为生产化肥所需要的氨。20 世纪初，合成氨催化剂的发现不仅启动了现代化学工业，也宣告了现代农业的到来。埃特尔利用多种现代表面科学研究技术系统研究了哈伯－博施合成氨过程的模型催化体系，确定吸附的氮原子和氢原子是反应活性物种，并且氮气在催化剂表面解离是催化反应速控步，吸附氮原子逐步加氢最终生成氨分子；利用多种谱学技术鉴定了反应过程中全部的反应中间物种，并给出了反应的势能图。埃特尔同时利用电子能谱仪研究了工业催化剂在高压反应条件下的表面组成和反应过程中催化剂表面吸附氮物种浓度与氢气压力的变化关系，发现高压反应条件下的变化关系与低压反应条件下模型催化体系测得的变化关系一致，从而证实了在这个催化反应体系中，模型催化体系表面化学研究结果可以推广到工业催化体系。埃特尔对哈伯－博施合成氨反应机理的研究，已成为如何合理利用多种现代表面科学研究手段的组合，来研究并理解复杂催化反应相关的表面化学过程的教科书般的典范。

2. 2 CO氧化和表面非线性反应动力学

金属Pt 表面催化CO 氧化反应是汽车尾气催化净化过程中的主要反应之一。埃特尔对这个催化反应的模型体系进行了深入详尽的研究，并开创了固体表面化学反应非线性反应动力学研究领域。早在1982年，埃特尔研究组报道了Pt

单晶表面催化的CO 氧化反应表现出非线性反应动力学行为，CO 2的生成速率随反应时间发生振荡。这在当时是表现非线性反应动力学的惟一实际催化反应。在随后的一系列开创性的工作中，埃特尔原位研究了CO 氧化反应速率与Pt 表面反应物种浓度、Pt 单晶表面结构之间的关系，提出了Pt 单晶表面催化CO 氧化反应非线性反应动力学的微观模型。在振荡反应体系中，体系变量还依赖于其在体系内的空间位置，因此振荡反应会表现出时空斑图。为观察Pt 单晶表面上的时空斑图，埃特尔教授研究组发展了光发射电子显微镜(PEEM)，能够在0.4 ～1 kPa 的压力下原位动态观察表面吸附物种的浓度变化(时间和空间分辨率分别为毫秒和亚微米) 。观察到振荡反应过程中吸附CO 物种和吸附O 物种在Pt单晶表面形成的丰富的时空斑图，从螺旋波到混沌。这些研究结果无论在深度还是广度都极大地加深了我们对固体表面反应动力学的理解。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。

3 表面化学的具体应用

3.1 在环境保护中，大气环境中的浮尘表面附有氮化物。

由表面分析数据，可以鉴定出氮的化学态为硝酸盐、铵盐、氨基、吡啶等[1] 。对一天不同时间和不同颗粒的浮尘分别取样，就可以总结出吸附污染规律，以及与上下班汽车高峰时期排气的关系。烟雾灰尘中含有硫，硫吸附在某些氧化物表面会发生化学物理变化。经表面化学研究和分析，知道过渡金属氧化物如Fe2O3和MnO 2表面有催化作用，硫很快氧化成硫酸盐而吸附在碱土金属如CaO 和MgO 上，硫的氧化作用就慢得多。这对了解和研究污染物的生成机理提供了方便和条件。

3.2 对于金属材料，为了研究金属吸附、腐蚀、扩散、磨损等过程和机理，可以分别加入O2、H2、CO2、H2O、N2等，或在真空条件下镀膜，然后选择、制造适用的新材料，这些都离不开表面化学反应。

3.3 在医用高分子材料中，以人造心脏血管为例，它们的机械性能是材料的体相性质决定的。然而，重要的抗凝血性能却是表面性质决定的[2] 。在各种化学、

物理、生物因素中，表面化学组成、结构、化学性能最为重要。如直线性多嵌段结构的聚醚型聚氨酯中[1]，二异氰酸酯为扩链剂反应形成硬段，聚醚为软段，通过表面化学分析，可以得到高分子链段和基团的表面组成，从中总结出高分子链段的组成、配比、原子量、溶剂等因素对表面的影响以及抗凝血作用的关系。

3.4 在电子工业中，表面化学不但可以用于研究材料结构、能带、电子态学理论问题，而且在元器件的细加工工艺过程中，如晶体生长、切片、抛光、清洗、氧化刻蚀、注入、扩散、钝化和封装方面提供各种手段和方法。

在微电子学中，为了制造电阻器，首先可以把Ni-Cr 合金制成薄膜，然后通过氧化处理调整电阻值，经XPS 分析Ni-Cr 合金的氧化并不是Ni 、Cr 同时氧化，氧化膜中仅有Cr 2O3。如在氧化膜上镀上Al [3]，可观察到氧化态的铬峰和元素铝峰减少，而元素铬峰和氧化态铝峰增加，从而解释了这种电阻器有Al 接触点存在时，可以产生高电阻的Al 2O3而使薄膜电阻失效。由此可见，表面相具有特殊性，它可以发生体相不能发生的反应，实际应用价值非常巨大。

3.5 表面化学在纳米材料被誉为21 世纪的新材料。

由于粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子表面积、表面都会迅速增加，表面原子的晶体场环境和结合能力与内部原子不同引起的表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其他原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，使得纳米材料广泛用于宇航、国防、环保等领域[4]。表面化学在纳米材料的研究、开发、制备、生产、应用过程中可以大有作为，表面化学将会使人类步入纳米时代，指导我们去打开一个新的世界。

4 后记与展望

尽管从事表面化学研究多年，并曾获得难以计数的奖项和荣誉，埃特尔教授表示，这仍然是意料之外。他和所有同行一样虽然都曾希望能得到诺贝尔奖，也会关注每年的获奖者，但是没有预料到会真的发生在自己身上，因为这个领域还有很多杰出的科学家和突破性的研究。而他也将这一奖项视为自己所有荣誉的顶峰。诺贝尔奖自1901 年开始颁发以来，到2007 年已经100 多年了，100 多年来化学奖获得者的每一项工作都是化学发展史上的里程碑。埃特尔在表面化学领域的研究也会使我们以后对这门学科的认识更深入，同时也希望这门学科能够

研究的更完善。

[参考文献]

[1]宋中庆，王卫东，沈丽，等.展现崭新世界的表面化学[J].化工纵横，2000，（6）.

[2]刘芸，陈杰熔.高分子的表面化学组成与生物相容性[J].高分子通报，2006，（3）.

[3]夏传义.化学镀在电子工业中的应用[J].电镀与涂饰，1999，（4）.

[4]蔡传英，等.1999 年聚合物/ 无机纳米材料最新进展[J].化工时刊，2000，（1）：13-18.