催化与表界面化学“十四五”发展规划概述

　　摘要“催化与表界面化学”是国家自然科学基金委员会化学科学部学科重组后设立的学科领域之一.本文阐明了该学科的内涵和外延,介绍了催化与表界面化学学科“十四五”发展规划,内容主要包括学科发展规律和态势、发展现状与瓶颈以及目标和优先资助领域.

　　关键词国家自然科学基金,催化与表界面化学,发展规划,优先资助领域

　　1引言

　　习近平新时代中国特色社会主义思想首次将科技创新提至国家战略的高度,并指出科技创新要“面向世界科技前沿、面向经济主战场,面向国家重大需求,面向人民生命健康”.新时代科学基金提出了“明确资助导向,优化学科布局,完善评审机制”三大改革任务,明确了“鼓励探索,突出原创;聚焦前沿,独辟蹊径;需求牵引,突破瓶颈;共性导向,交叉融通”的资助导向[1].化学传统学科的分类方法和研究范式越来越不满足国家科技创新的需求和新时代化学科学的发展.同时,学科交叉融合的发展趋势和新的学科生长点的涌现迫切需要化学科学从研究领域出发优化学科布局.因此,化学科学部组织专家深入研讨,结合国家中长期科技发展规划(2021~2035)和创新驱动策略,调整传统学科分类,优化学科布局,按研究领域进行学科重组,设立“催化与表界面化学”学科领域,构建有利于原始创新成果产生的资助体系,发挥其在能源、环境、材料、信息和生命等领域的重要基础和理论指导作用.

　　2“催化与表界面化学”的内涵和外延

　　“催化与表界面化学”旨在研究表面和气/固/液多相界面的结构与性质,揭示物质在表界面发生的物理与化学转化过程的基本规律,包含传统的催化化学、表面化学、电化学、胶体与界面化学,是典型的综合交叉学科,并向能源、材料、环境、信息和生命等科学领域延伸,为人类社会的可持续发展提供坚实的科学基础.

　　本学科领域以基础理论、仪器研制、实验研究为核心内容,三者密切关联、相互促进,致力于解决催化化学、表面化学、胶体与界面化学和电化学中的表界面基础科学问题,推动基础研究成果向能源、环境、信息和生命等与表界面相关的应用领域拓展.“催化与表界面化学”的主要研究内容包括表界面结构与表界面反应,表界面电子性质,原子/分子与界面的相互作用,以及发生在表界面的分子间相互作用、离子迁移、电子转移和能量传递等.本学科的主要研究任务是瞄准与复杂体系表界面密切相关的关键科学问题,探索研究的新范式,鼓励原创和前瞻性研究,建立“催化与表界面化学”的理论、实验与表征方法.

　　内容包括:发展先进的表界面理论和计算方法;发展原位动态和高分辨表征方法和技术,创制新仪器;利用大科学装置、大数据集成、计算模拟和人工智能(AI),提出基于新概念、新原理、新机制的新研究方法;从分子、原子和电子层次深入理解表界面物理化学的本质,建立结构与性能的关系,理性设计具有特定功能的结构和催化与表界面体系.新时代催化与表界面化学研究秉承“绿色碳科学”理念[2],优先开展能源、界面制造和界面功能材料的基础性研究,提高化石资源和能源的高效利用和洁净转化,注重新能源的探索和环境保护,加强可再生资源及二氧化碳资源化高效利用;注重量子信息材料与芯片制造过程的表面化学基础研究.促进从基础到应用的贯通式研究,为实现“碳达峰”和“碳中和”目标以及国家战略技术储备和社会可持续发展做出重要贡献.

　　3学科发展规律和态势

　　随着创新仪器的不断涌现和发展、计算能力的快速提升和研发投入的大幅增加,“催化与表界面化学”呈现了如下发展态势[3]:研究内容聚焦到“表界面”这一核心概念;研究体系从简单模型到复杂真实体系;研究过程从静态、稳态和平衡态到动态、瞬态和非平衡态;研究深入到纳米/团簇和分子/原子的微观尺度及飞秒/阿秒的超快过程;理论与实验结合更加紧密,学科交叉融合特征更加明显.

　　3.1基础理论越来越定量化,已成为表界面化学研究必不可少的重要手段

　　在催化学科建立的初期,理论即发挥着重要的作用.比如,Van’tHoff和Ostwald在上世纪初就指出,催化剂只改变反应速度,但不改变反应最终的平衡;Langmuir建立表面吸附理论;Taylor提出活性中心概念等.在解释催化实验现象和探索催化反应机理的过程中,Langmuir-Hinshelwood机理、Eley-Rideal机理、以及涉及氧化物中晶格氧的Mars-vanKrevelen机理等被先后提出;过渡态理论被建立.在上世纪六十年代,表面科学开始发生重大变化,超高真空(UHV)系统被建立,人们开始可以直接测量表面活性区域的性质,可以直接在分子水平上验证上述的理论.

　　现阶段,先进的高分辨原位实时表征技术的发展,已经能够达到表界面结构原子级的解析分辨率,使得人们可以详细研究表界面物理化学过程,在微观尺度上定量建立表界面构效关系的理论成为了可能.随着量子力学、统计力学和多尺度模拟方法的蓬勃发展,以气/固界面、液/固界面为主要研究对象的理论模拟方法在上世纪八十年代中期逐渐开展起来.近年来,理论与计算化学(特别是密度泛函理论,DFT)的发展把表界面化学带入了一个新阶段,理论计算及模拟在描述微观原子间相互作用、揭示表界面体系几何/电子结构及静态、动态性质变化规律等方面开始发挥重要作用,实现了对表界面及其基元反应过程比较精确的模拟,并借助分子动力学和反应动力学将微观物理量和宏观实验参数关联起来.

　　以表界面多相催化为例,一些重要的催化理论或概念被定量化、重新认识和拓展,如以BEP关系为代表的线性标度关系、d带(或p带)中心、活性描述因子及火山型活性曲线、单原子催化等,有力地加深了人们对于表界面催化本质的认识.尤其是在过去十年里,基于DFT的计算催化研究从数量到质量都取得了巨大发展,极大地丰富了催化理论认知,促进了整个表界面化学的发展,成为理解表界面反应活性、选择性、稳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从微观层面测量表界面现象,注重挖掘和综合利用现有的实验技术,到利用新的科学原理建立新的表征方法成为更高要求分子、原子和电子在表界面上的吸附、活化、反应和变化,以及能量转移和物质传输是催化与表界面化学研究的核心.揭示催化和表界面的物理与化学基本规律,必须借助于先进的实验技术和表征方法.

　　3.2.1材料及其表界面结构表征技术在原子水平上研究材料周期性的体相结构和非周期性的缺陷结构的组成、分布、结构与性质的时空变化,对于催化与表界面化学基础研究至关重要.近十年来,原子分辨电子三维/四维重构技术已经在原子分辨尺度探测材料中晶体晶界、位错、原子坐标以及化学组成等方面取得了重大突破,从“看到三维原子”的定性技术发展为“确定原子坐标”的定量技术.该技术辅以时间分辨维度,可以拓展为原子分辨的四维成像,以便在原子层次探究相转变、晶界变化、原子扩散、界面运动、表面重构等动态过程.基于X射线、自由电子激光和同步辐射光源的三维相干衍射成像技术可实现体系的超高空间分辨率、高衬度、原位和定量的三维成像.突破原子分辨率,实现单一颗粒成像也颇值得关注.

　　3.3多相界面催化研究从宏观深入到原子和分子层次,更加聚焦能源和资源绿色转化的重要科学问题

　　早期的催化研究注重宏观现象的观察和总结,催化剂的研发主要以经验为主.目前,人们已经有可能在原子和分子水平上对均相催化剂进行设计,以调控催化活性和选择性.

　　由于模型表面上反应过程的物理化学认识与真实催化剂表界面反应之间存在着所谓的“材料鸿沟”和“压力鸿沟”,在固体表面进行的多相催化过程大多仍处于“黑箱”状态,往往涉及气/固、液/固或气/液/固等复杂多相界面的参与,尽管如此,近三十年来,随着先进的实验方法和理论模拟方法的发展,催化研究已逐步从宏观实验现象的观察和总结深入到原子和分子层次的表界面反应过程;催化剂结构和机理导向的分子设计概念已逐步深入到新型工业催化剂和新催化过程的研究中.

　　催化学科将在化石能源和资源的优化利用、生物质等可再生资源及二氧化碳资源化高效利用、太阳能等新能源探索、环境保护、绿色化学、生态平衡以及人类健康与生活质量的改善等方面发挥更大的作用.相关学科的发展,如表界面科学、现代谱学技术、环境电镜技术、金属有机化学、理论与计算化学、纳米科学、材料科学和生物科学等领域的发展,为理解多相催化表界面反应过程提供了新的方法和技术,极大地促进了催化学科的发展.同时,催化学科也为这些相关学科提供了丰富的研究素材,催生了新的交叉研究方向和领域.催化化学已发展成为化学学科中最前沿和最活跃的多学科交叉领域之一.

　　多相催化领域目前最主要的挑战是在认识和理解催化基本原理的基础上,建立催化剂结构与性能的关系,理性设计具有特定表界面结构和功能的催化剂和催化体系,调控表界面反应过程,最终控制催化活性、选择性和稳定性.多相、均相和生物催化的交叉和融合,反应过程的耦合和催化功能的集成,光电等外场调控催化过程以及光催化和电催化合成等,均涉及丰富的表界面科学问题.建立原位、动态、高时-空分辨的催化表征技术和先进的理论方法,从微观层次上认识催化表界面反应机理,将有助于推动催化学科的发展.发展具有特定结构的催化功能材料的合成与制备方法,有利于达到在原子水平上构筑催化剂、在分子层次上了解催化反应机理和动态学的目标.

　　3.4表面化学向表征技术多元化、研究过程动态化和多学科交叉方向发展,注重复杂体系真实环境下的表界面问题表面化学遵循着“阐释-还原-创新”的发展轨迹,即由对宏观表面化学过程的唯象解释,到原子和分子层次的机理还原,再到原理创新驱动的实际应用.

　　近年来,表面化学的发展规律与态势主要包含以下几个方面:

　　(1)表征技术的多元化:多样化表征技术如单分子光谱技术、近常压原位表征技术、表面非线性光谱以及q-plus原子力显微镜成像技术等等,使得人们可以从单一性质测量过渡到振动、电子、自旋和光学等多种性质的检测.(2)研究过程的动态化:表面化学更加关注表面化学过程的原位观测.研究体系从简单模型和探针体系向复杂的真实体系靠拢,由初期的简单研究趋向复杂表面结构的制备和反应环境模拟等.动态化的终极目标是实现表面化学过程的可视化.

　　(3)实验与理论相结合:开展多时间和空间尺度的理想体系、模型体系、近真实体系乃至真实体系的表面实验研究和理论处理与计算模拟,特别是第一性原理、基于机器学习的势函数构建、外场调控模拟、动态演化再现、微观反应动力学模拟等跨时间和空间尺度的复杂体系的理论与计算研究,借助人工智能和大数据分析,在原子和分子尺度上认识和理解表面结构与反应过程已成为日趋明显的发展趋势.(4)多学科交叉融合:表面化学研究正从传统的表面结构、表面吸附与表面反应,外延到许多新兴领域和方向,诸如凝聚态物理、低维材料、能源科学、微电子学、量子信息乃至生命科学等领域.表面化学的跨越式发展亟待物理、化学、材料、能源和生物等学科的交叉融合.

　　4学科领域的发展现状与瓶颈

　　4.1理论与计算化学在表界面结构解析、反应机理及动力学性质研究等方面发挥着重要作用,其现状与瓶颈如下[3]:(1)表界面结构解析.表界面吸附、扩散和催化及电化学是理论模拟的重点.能否准确模拟真实工况下的表界面形貌、原子结构、环境变化等因素很大程度上决定了后续表界面作用机理及动力学性质研究的可靠性.目前国际主流的处理方法是通过引入物种的化学势来考查材料在不同反应气氛下的结构特征(缺陷位、化学配比、表面物种覆盖度等).

　　我国学者在表界面单原子活性中心的结构及其动态变化研究领域居于世界领先地位;另外,拓展了表界面结构理论解析的方法,在材料固体相变、反应中间态结构确定、全局稳态结构搜索等方面形成了特色,并在一定程度上达到了国际领先水平.但关于无定形或长/短程无序结构等非晶材料的理论模拟研究尚处于起步阶段;催化反应和表界面重构的耦合研究较少;此外,借助于理论模拟提升对电极材料表界面结构及双电层结构和光催化中表界面结构变化的微观认识仍然有待加强.

　　催化论文投稿刊物：《催化学报》(月刊)创刊于1980年，由中国化学会和中国科学院大连化学物理研究所主办。主要报道能源、环境、有机化工、新材料、多相催化、均相催化、生物催化、光催化、电催化、表面化学、催化动力学等学科领域的基础性和应用基础性的最新研究成果。刊登催化领域有创造性，立论科学、正确、充分，有较高学术价值的论文。

　　5学科发展面临的深层次问题

　　(1)现有学术文化和评价体系的制约,造成基础研究跟风趋同,学术多元化欠缺,研究深度和引领性不足,原创性基础研究匮乏.(2)亟需探索表界面研究的新范式,注重实验与理论方法的结合,加强人工智能方法运用、新仪器创制和先进技术的综合应用,消弭模型与实际体系之间的材料、压力和介质鸿沟,实现从基础研究到应用研究的贯通.

　　(3)基于新原理的科学仪器研制和先进表界面表征方法十分薄弱,严重限制了原创性成果的产生,表界面化学基础数据采集和数据库的建设缺乏.(4)对能源(包括新能源和氢能)和资源化学、CO2减排和转化、高端电子器件的表界面处理与结构构筑等领域的核心科学和技术问题认识不够深入,因而缺乏有效的科学和技术应对办法.(5)表界面化学在相关领域中的作用和价值未得到足够的重视,制约了包括芯片技术在内的各领域关键技术的发展.目前表界面化学研究力量薄弱,人才培养和储备不足.

　　参考文献：

　　1国家自然科学基金委员会.2021年度国家自然科学基金项目指南.北京:科学出版社,2021

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

　　3Expertgroupofthestrategyseminar.ChinJCatal2019,40(s1):1–5(inChinese)[催化与表界面化学学科前沿与发展战略研讨会专家组.国家自然科学基金委员会催化与表界面化学学科前沿与发展战略研讨报告,催化学报,2019,40(s1):1–5]

　　作者：高飞雪1*,伊晓东1,2