2004年埃特尔教授（右）带领国际评估小组到大连化物所对中科院—马普“催化纳米技术”伙伴小组进行现场评估，听取伙伴小组中方组长包信和研究员（左）的工作汇报。
瑞典皇家科学院10月10日宣布，将2007年诺贝尔化学奖授予德国马普学会弗里茨-哈伯(Fritz-Haber)研究所的格哈德·埃特尔(Gerhard Ertl)教授，以表彰他在固体表面化学过程研究领域作出的开拓性成就。
埃特尔教授长期从事与催化和电化学相关的固体表面物理和化学研究，在众多领域取得了重要突破。瑞典皇家科学院在陈述埃特尔教授的贡献中，特别强调了埃特尔在固体表面化学过程研究中取得的成就。
埃特尔是最早认识到现代表面研究技术在固体表面化学过程研究中巨大潜力的科学家之一，自上世纪60年代以来，他逐步建立了研究固体表面化学过程的方法学，通过利用多种研究技术的组合，在原子分子层次提供了一个表面化学反应的完整图像，为固体表面化学研究奠定了科学基础。他发展的方法学同时应用于化学过程的研究，对相应工业过程具有重要的指导意义。合成氨反应过程的催化机理的认识和表面非线性反应动力学理论的建立，是埃特尔教授对固体表面化学过程研究的两个最典型的重要贡献。
表面科学和合成氨反应
哈伯－博施(Haber-Bosch)合成氨过程是最重要的多相催化反应之一，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。上世纪初，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。
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，CO2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唯一实际催化反应。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<10-4mbar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加深了我们对固体表面反应动力学的理解。
中国相关研究状况
中国也是较早开始催化和表面化学研究的国家之一。其研究历史可以追溯到上世纪30年代。1933年，张大煜先生在获得德国德累斯顿工业大学博士学位后，回国开创和发展胶体化学和表面化学的研究。从50年代初开始，他致力于工业上广泛使用的催化剂担体研究，结合水煤气合成石油的钴催化剂和合成氨催化剂的催化性能研究，逐步建立了物理吸附、化学吸附等一系列研究方法，提出了表面键理论的设想，并以此为指导，研制成功了合成氨新流程3个催化剂，在当时达到了国际先进水平。
其中在表面化学研究方面特别值得一提的，是已经故世的原大连化物所郭燮贤院士和原复旦大学的邓景发院士的工作。郭燮贤在基础研究方面先后提出了表面“空位”对吸附和催化反应作用的概念，以及氢和一氧化碳活化吸附方面的“易位吸附”和“协同机理”的新概念等。邓景发自行设计、组装了多种近代能谱仪，在国内较早建成了一个从分子水平研究表面吸附和催化过程的表面催化实验室，系统开展了银系列催化剂的基础理论研究。
埃特尔与中国
埃特尔为我国表面化学和催化研究队伍的培养和科学的发展作出了重要贡献。他分别从1997年和2000年开始担任《催化学报》顾问和催化基础国家重点实验室国际顾问，与中国科学院大连化学物理研究所和厦门大学等单位一直保持着密切的学术联系。据美国《物理化学杂志》统计，曾在埃特尔研究室长期工作的中国学者超过10位。
大连化物所研究员包信和1989年至1995年一直在埃特尔指导下进行研究工作。1995年，包信和回国工作时，埃特尔将他们自行研制的一台光发射电子显微镜(PEEM)赠送给他，以支持他在国内继续从事表面化学和界面催化的研究。由于年事已高，埃特尔很遗憾自己已不可能将模型催化的研究拓展到纳米和生物领域。当包信和提出回国后希望拓展模型催化剂的基础研究，进一步将催化表面化学的研究与纳米技术相结合，从纳米尺度上深入理解真实催化反应过程时，埃特尔立即表示支持，并积极推动大连化物所与弗里茨-哈伯研究所共同成立了中国科学院与马普学会的“催化纳米技术”伙伴小组，埃特尔亲自担任专家组组长，并先后3次到大连化物所访问，亲自指导该伙伴小组的研究工作。
(编辑组织：本报记者 邹淑英 张一峰) |
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