如何区别自由能和吸附能？

自由能（Gibbs Free Energy）表示系统可以做的最大有用功。它由内能、温度和熵的关系决定。自由能的变化（ΔGΔG）在常温常压下用于预测化学反应是否能够自发进行。

吸附能是指分子或原子在与固体表面接触时，所产生的相互作用力释放或吸收的能量。吸附能的大小决定了分子在表面上的吸附强度。

吉布斯自由能（Gibbs Free Energy）就像一位精明的会计，用它的特殊公式G = H – TS（H是焓/总能量，T是温度，S是熵/混乱度）来计算每个化学反应是”赚钱”还是”亏本”。

在化学反应的“经济体系”中，ΔG（自由能变化）就是这场交易的”净利润”：

ΔG ：相当于做了一笔稳赚不赔的买卖，反应会自发进行，就像铁在潮湿空气中自动生锈

ΔG > 0：相当于亏本生意，需要外部“投资”（如通电或加热）才能进行，比如电解水制取氢气

ΔG = 0：市场达到平衡，就像饱和食盐水中溶解和结晶的速率相等

DOI：10.1016/j.apcatb.2023.123452

现在把镜头拉近到分子尺度，吸附能就是衡量分子与表面“粘性”的能量标尺。计算公式E_ads = E_(总) – E_(表面) – E_(分子)就像在给不同“魔术贴”打分：

物理吸附（-20 kJ/mol左右）：像普通便利贴，靠分子间作用力轻轻粘附，容易撕下。比如水蒸气在玻璃表面的凝结。

化学吸附（-200 kJ/mol量级）：像超级强力胶，形成真正的化学键，需要很大力气才能分开。比如一氧化碳在铂催化剂上的吸附。

DOI：10.1021/acscatal.4c00483

前沿研究图解：通过Sn掺杂对金红石型TiO₂进行调控，以激活TiO₂载体中的氧，并阐述了低温(100°C)CO氧化过程中Sn掺杂TiO2(SnTiO2)向Pt位点反向溢氧的界面化学过程。

实验结果表明，所制备的Pt/SnTiO₂的CO氧化活性是参考催化剂(Pt/TiO₂-A和Pt/TiO₂-R)的6-12倍，并且在7天的测试中没有失活的迹象(在10% H₂O和100 ppm SO₂存在下)。

界面化学研究表明，CO在Pt位上的吸附触发了反向氧溢出(ROS)，随后出现了Pt4+物种。随着Ti-O-Sn键在CO吸附Pt位点附近的断裂，产生了O物种，形成了催化不可缺少的Pt-O位点。

DOI: 10.1038/s41467-023-39226-6

当自由能和吸附能这对“黄金搭档”一起工作时，就能准确预测复杂化学反应的行为模式。这就像预测一场舞会能否成功举办：

吸附能决定谁来参加（哪些分子能停留在催化剂表面）

自由能决定舞会多热闹（反应能进行到什么程度）

经典案例深度解析：在著名的“催化火山图”中，图像呈现完美的火山曲线：太强的吸附能（左侧陡坡）会让催化剂“噎住”无法释放产物；太弱的吸附能（右侧缓坡）又抓不住反应物。

最佳催化剂铂恰好位于火山口顶点——它的吸附能既能让氢原子停留足够长时间发生反应，又不会粘得太牢阻碍后续步骤。

DOI：10.1007/s40820-022-00857-x

理论计算方面：

密度泛函理论(DFT)计算时，注意基组选择对吸附能影响很大。一篇JACS论文对比发现，用PBE泛函计算CO在Pt(111)面的吸附能为-1.78eV，而换用RPBE泛函会变为-1.52eV——这相当于预测的催化活性相差30%！

自由能计算必须考虑温度校正。某篇研究酶催化的论文显示，在310K时忽略零点能校正会使ΔG计算值偏离达12kJ/mol，足以完全改变对反应自发性的判断。

DOI：10.1021/acsanm.2c02753

自由能和吸附能是热力学中重要的概念，涉及分子之间相互作用的能量变化。

自由能（Gibbs Free Energy, GG）是在一定温度和压力下的一个热力学状态函数，描述了系统在进行可逆过程时能做的最大功。自由能的变化（ΔG）决定了反应是否自发进行：当ΔG 为负值时，反应自发进行；当ΔG 为正值时，反应非自发进行。

吸附能是指分子或离子从气相或溶液相吸附到固体表面时所释放或吸收的能量。它通常由范德华力、氢键、静电相互作用等多种力作用引起。吸附能的大小影响了分子在表面上的吸附稳定性，吸附能较大时，分子吸附较强，反之则较弱。

总结来说，自由能和吸附能都涉及到能量的转化和相互作用，但自由能更加关注整个系统的变化，而吸附能则特指分子与固体表面之间的相互作用能量。这些概念在研究化学反应、催化、表面科学等领域中至关重要。