摘要“催化與表界面化學”是國家自然科學基金委員會化學科學部學科重組后設立的學科領域之一.本文闡明了該學科的內涵和外延,介紹了催化與表界面化學學科“十四五”發展規劃,內容主要包括學科發展規律和態勢、發展現狀與瓶頸以及目標和優先資助領域.

　　關鍵詞國家自然科學基金,催化與表界面化學,發展規劃,優先資助領域

　　1引言

　　習近平新時代中國特色社會主義思想首次將科技創新提至國家戰略的高度,并指出科技創新要“面向世界科技前沿、面向經濟主戰場,面向國家重大需求,面向人民生命健康”.新時代科學基金提出了“明確資助導向,優化學科布局,完善評審機制”三大改革任務,明確了“鼓勵探索,突出原創;聚焦前沿,獨辟蹊徑;需求牽引,突破瓶頸;共性導向,交叉融通”的資助導向[1].化學傳統學科的分類方法和研究范式越來越不滿足國家科技創新的需求和新時代化學科學的發展.同時,學科交叉融合的發展趨勢和新的學科生長點的涌現迫切需要化學科學從研究領域出發優化學科布局.因此,化學科學部組織專家深入研討,結合國家中長期科技發展規劃(2021~2035)和創新驅動策略,調整傳統學科分類,優化學科布局,按研究領域進行學科重組,設立“催化與表界面化學”學科領域,構建有利于原始創新成果產生的資助體系,發揮其在能源、環境、材料、信息和生命等領域的重要基礎和理論指導作用.

　　2“催化與表界面化學”的內涵和外延

　　“催化與表界面化學”旨在研究表面和氣/固/液多相界面的結構與性質,揭示物質在表界面發生的物理與化學轉化過程的基本規律,包含傳統的催化化學、表面化學、電化學、膠體與界面化學,是典型的綜合交叉學科,并向能源、材料、環境、信息和生命等科學領域延伸,為人類社會的可持續發展提供堅實的科學基礎.

　　本學科領域以基礎理論、儀器研制、實驗研究為核心內容,三者密切關聯、相互促進,致力于解決催化化學、表面化學、膠體與界面化學和電化學中的表界面基礎科學問題,推動基礎研究成果向能源、環境、信息和生命等與表界面相關的應用領域拓展.“催化與表界面化學”的主要研究內容包括表界面結構與表界面反應,表界面電子性質,原子/分子與界面的相互作用,以及發生在表界面的分子間相互作用、離子遷移、電子轉移和能量傳遞等.本學科的主要研究任務是瞄準與復雜體系表界面密切相關的關鍵科學問題,探索研究的新范式,鼓勵原創和前瞻性研究,建立“催化與表界面化學”的理論、實驗與表征方法.

　　內容包括:發展先進的表界面理論和計算方法;發展原位動態和高分辨表征方法和技術,創制新儀器;利用大科學裝置、大數據集成、計算模擬和人工智能(AI),提出基于新概念、新原理、新機制的新研究方法;從分子、原子和電子層次深入理解表界面物理化學的本質,建立結構與性能的關系,理性設計具有特定功能的結構和催化與表界面體系.新時代催化與表界面化學研究秉承“綠色碳科學”理念[2],優先開展能源、界面制造和界面功能材料的基礎性研究,提高化石資源和能源的高效利用和潔凈轉化,注重新能源的探索和環境保護,加強可再生資源及二氧化碳資源化高效利用;注重量子信息材料與芯片制造過程的表面化學基礎研究.促進從基礎到應用的貫通式研究,為實現“碳達峰”和“碳中和”目標以及國家戰略技術儲備和社會可持續發展做出重要貢獻.

　　3學科發展規律和態勢

　　隨著創新儀器的不斷涌現和發展、計算能力的快速提升和研發投入的大幅增加,“催化與表界面化學”呈現了如下發展態勢[3]:研究內容聚焦到“表界面”這一核心概念;研究體系從簡單模型到復雜真實體系;研究過程從靜態、穩態和平衡態到動態、瞬態和非平衡態;研究深入到納米/團簇和分子/原子的微觀尺度及飛秒/阿秒的超快過程;理論與實驗結合更加緊密,學科交叉融合特征更加明顯.

　　3.1基礎理論越來越定量化,已成為表界面化學研究必不可少的重要手段

　　在催化學科建立的初期,理論即發揮著重要的作用.比如,Van’tHoff和Ostwald在上世紀初就指出,催化劑只改變反應速度,但不改變反應最終的平衡;Langmuir建立表面吸附理論;Taylor提出活性中心概念等.在解釋催化實驗現象和探索催化反應機理的過程中,Langmuir-Hinshelwood機理、Eley-Rideal機理、以及涉及氧化物中晶格氧的Mars-vanKrevelen機理等被先后提出;過渡態理論被建立.在上世紀六十年代,表面科學開始發生重大變化,超高真空(UHV)系統被建立,人們開始可以直接測量表面活性區域的性質,可以直接在分子水平上驗證上述的理論.

　　現階段,先進的高分辨原位實時表征技術的發展,已經能夠達到表界面結構原子級的解析分辨率,使得人們可以詳細研究表界面物理化學過程,在微觀尺度上定量建立表界面構效關系的理論成為了可能.隨著量子力學、統計力學和多尺度模擬方法的蓬勃發展,以氣/固界面、液/固界面為主要研究對象的理論模擬方法在上世紀八十年代中期逐漸開展起來.近年來,理論與計算化學(特別是密度泛函理論,DFT)的發展把表界面化學帶入了一個新階段,理論計算及模擬在描述微觀原子間相互作用、揭示表界面體系幾何/電子結構及靜態、動態性質變化規律等方面開始發揮重要作用,實現了對表界面及其基元反應過程比較精確的模擬,并借助分子動力學和反應動力學將微觀物理量和宏觀實驗參數關聯起來.

　　以表界面多相催化為例,一些重要的催化理論或概念被定量化、重新認識和拓展,如以BEP關系為代表的線性標度關系、d帶(或p帶)中心、活性描述因子及火山型活性曲線、單原子催化等,有力地加深了人們對于表界面催化本質的認識.尤其是在過去十年里,基于DFT的計算催化研究從數量到質量都取得了巨大發展,極大地豐富了催化理論認知,促進了整個表界面化學的發展,成為理解表界面反應活性、選擇性、穩定性和探索高效表界面材料必不可少的重要研究手段.

　　3.2從微觀層面測量表界面現象,注重挖掘和綜合利用現有的實驗技術,到利用新的科學原理建立新的表征方法成為更高要求分子、原子和電子在表界面上的吸附、活化、反應和變化,以及能量轉移和物質傳輸是催化與表界面化學研究的核心.揭示催化和表界面的物理與化學基本規律,必須借助于先進的實驗技術和表征方法.

　　3.2.1材料及其表界面結構表征技術在原子水平上研究材料周期性的體相結構和非周期性的缺陷結構的組成、分布、結構與性質的時空變化,對于催化與表界面化學基礎研究至關重要.近十年來,原子分辨電子三維/四維重構技術已經在原子分辨尺度探測材料中晶體晶界、位錯、原子坐標以及化學組成等方面取得了重大突破,從“看到三維原子”的定性技術發展為“確定原子坐標”的定量技術.該技術輔以時間分辨維度,可以拓展為原子分辨的四維成像,以便在原子層次探究相轉變、晶界變化、原子擴散、界面運動、表面重構等動態過程.基于X射線、自由電子激光和同步輻射光源的三維相干衍射成像技術可實現體系的超高空間分辨率、高襯度、原位和定量的三維成像.突破原子分辨率,實現單一顆粒成像也頗值得關注.

　　3.3多相界面催化研究從宏觀深入到原子和分子層次,更加聚焦能源和資源綠色轉化的重要科學問題

　　早期的催化研究注重宏觀現象的觀察和總結,催化劑的研發主要以經驗為主.目前,人們已經有可能在原子和分子水平上對均相催化劑進行設計,以調控催化活性和選擇性.

　　由于模型表面上反應過程的物理化學認識與真實催化劑表界面反應之間存在著所謂的“材料鴻溝”和“壓力鴻溝”,在固體表面進行的多相催化過程大多仍處于“黑箱”狀態,往往涉及氣/固、液/固或氣/液/固等復雜多相界面的參與,盡管如此,近三十年來,隨著先進的實驗方法和理論模擬方法的發展,催化研究已逐步從宏觀實驗現象的觀察和總結深入到原子和分子層次的表界面反應過程;催化劑結構和機理導向的分子設計概念已逐步深入到新型工業催化劑和新催化過程的研究中.

　　催化學科將在化石能源和資源的優化利用、生物質等可再生資源及二氧化碳資源化高效利用、太陽能等新能源探索、環境保護、綠色化學、生態平衡以及人類健康與生活質量的改善等方面發揮更大的作用.相關學科的發展,如表界面科學、現代譜學技術、環境電鏡技術、金屬有機化學、理論與計算化學、納米科學、材料科學和生物科學等領域的發展,為理解多相催化表界面反應過程提供了新的方法和技術,極大地促進了催化學科的發展.同時,催化學科也為這些相關學科提供了豐富的研究素材,催生了新的交叉研究方向和領域.催化化學已發展成為化學學科中最前沿和最活躍的多學科交叉領域之一.

　　多相催化領域目前最主要的挑戰是在認識和理解催化基本原理的基礎上,建立催化劑結構與性能的關系,理性設計具有特定表界面結構和功能的催化劑和催化體系,調控表界面反應過程,最終控制催化活性、選擇性和穩定性.多相、均相和生物催化的交叉和融合,反應過程的耦合和催化功能的集成,光電等外場調控催化過程以及光催化和電催化合成等,均涉及豐富的表界面科學問題.建立原位、動態、高時-空分辨的催化表征技術和先進的理論方法,從微觀層次上認識催化表界面反應機理,將有助于推動催化學科的發展.發展具有特定結構的催化功能材料的合成與制備方法,有利于達到在原子水平上構筑催化劑、在分子層次上了解催化反應機理和動態學的目標.

　　3.4表面化學向表征技術多元化、研究過程動態化和多學科交叉方向發展,注重復雜體系真實環境下的表界面問題表面化學遵循著“闡釋-還原-創新”的發展軌跡,即由對宏觀表面化學過程的唯象解釋,到原子和分子層次的機理還原,再到原理創新驅動的實際應用.

　　近年來,表面化學的發展規律與態勢主要包含以下幾個方面:

　　(1)表征技術的多元化:多樣化表征技術如單分子光譜技術、近常壓原位表征技術、表面非線性光譜以及q-plus原子力顯微鏡成像技術等等,使得人們可以從單一性質測量過渡到振動、電子、自旋和光學等多種性質的檢測.(2)研究過程的動態化:表面化學更加關注表面化學過程的原位觀測.研究體系從簡單模型和探針體系向復雜的真實體系靠攏,由初期的簡單研究趨向復雜表面結構的制備和反應環境模擬等.動態化的終極目標是實現表面化學過程的可視化.

　　(3)實驗與理論相結合:開展多時間和空間尺度的理想體系、模型體系、近真實體系乃至真實體系的表面實驗研究和理論處理與計算模擬,特別是第一性原理、基于機器學習的勢函數構建、外場調控模擬、動態演化再現、微觀反應動力學模擬等跨時間和空間尺度的復雜體系的理論與計算研究,借助人工智能和大數據分析,在原子和分子尺度上認識和理解表面結構與反應過程已成為日趨明顯的發展趨勢.(4)多學科交叉融合:表面化學研究正從傳統的表面結構、表面吸附與表面反應,外延到許多新興領域和方向,諸如凝聚態物理、低維材料、能源科學、微電子學、量子信息乃至生命科學等領域.表面化學的跨越式發展亟待物理、化學、材料、能源和生物等學科的交叉融合.

　　4學科領域的發展現狀與瓶頸

　　4.1理論與計算化學在表界面結構解析、反應機理及動力學性質研究等方面發揮著重要作用,其現狀與瓶頸如下[3]:(1)表界面結構解析.表界面吸附、擴散和催化及電化學是理論模擬的重點.能否準確模擬真實工況下的表界面形貌、原子結構、環境變化等因素很大程度上決定了后續表界面作用機理及動力學性質研究的可靠性.目前國際主流的處理方法是通過引入物種的化學勢來考查材料在不同反應氣氛下的結構特征(缺陷位、化學配比、表面物種覆蓋度等).

　　我國學者在表界面單原子活性中心的結構及其動態變化研究領域居于世界領先地位;另外,拓展了表界面結構理論解析的方法,在材料固體相變、反應中間態結構確定、全局穩態結構搜索等方面形成了特色,并在一定程度上達到了國際領先水平.但關于無定形或長/短程無序結構等非晶材料的理論模擬研究尚處于起步階段;催化反應和表界面重構的耦合研究較少;此外,借助于理論模擬提升對電極材料表界面結構及雙電層結構和光催化中表界面結構變化的微觀認識仍然有待加強.

　　催化論文投稿刊物：《催化學報》(月刊)創刊于1980年，由中國化學會和中國科學院大連化學物理研究所主辦。主要報道能源、環境、有機化工、新材料、多相催化、均相催化、生物催化、光催化、電催化、表面化學、催化動力學等學科領域的基礎性和應用基礎性的最新研究成果。刊登催化領域有創造性，立論科學、正確、充分，有較高學術價值的論文。

　　5學科發展面臨的深層次問題

　　(1)現有學術文化和評價體系的制約,造成基礎研究跟風趨同,學術多元化欠缺,研究深度和引領性不足,原創性基礎研究匱乏.(2)亟需探索表界面研究的新范式,注重實驗與理論方法的結合,加強人工智能方法運用、新儀器創制和先進技術的綜合應用,消弭模型與實際體系之間的材料、壓力和介質鴻溝,實現從基礎研究到應用研究的貫通.

　　(3)基于新原理的科學儀器研制和先進表界面表征方法十分薄弱,嚴重限制了原創性成果的產生,表界面化學基礎數據采集和數據庫的建設缺乏.(4)對能源(包括新能源和氫能)和資源化學、CO2減排和轉化、高端電子器件的表界面處理與結構構筑等領域的核心科學和技術問題認識不夠深入,因而缺乏有效的科學和技術應對辦法.(5)表界面化學在相關領域中的作用和價值未得到足夠的重視,制約了包括芯片技術在內的各領域關鍵技術的發展.目前表界面化學研究力量薄弱,人才培養和儲備不足.

　　參考文獻：

　　1國家自然科學基金委員會.2021年度國家自然科學基金項目指南.北京:科學出版社,2021

　　2HeM,SunY,HanB.AngewChemIntEd,2013,52:9620–9633

　　3Expertgroupofthestrategyseminar.ChinJCatal2019,40(s1):1–5(inChinese)[催化與表界面化學學科前沿與發展戰略研討會專家組.國家自然科學基金委員會催化與表界面化學學科前沿與發展戰略研討報告,催化學報,2019,40(s1):1–5]

　　作者：高飛雪1*,伊曉東1,2