说明：本文华算科技介绍了表面催化的核心定义、反应机理及催化剂表面结构特性，理解异相催化中吸附、扩散、反应与解吸等基元步骤，通过调控晶面、缺陷和动态重构等表面工程策略设计高效催化剂，提升化工、能源转化等过程中的反应效率与选择性。
什么是表面催化？
表面催化是指化学反应在催化剂表面进行的过程，通常发生在固-气或固-液界面。催化剂表面作为化学反应的活性位点，直接参与化学反应，通过降低反应活化能、提高反应速率和选择性来实现催化功能。
与均相催化不同，表面催化属于异相催化范畴，其核心特征是反应物与催化剂处于不同相态，反应仅在催化剂表面发生。
表面催化具有以下几个基本特征：
界面反应特性：表面催化反应严格限制在催化剂表面几个原子层范围内，通常为0.5-2纳米厚度的界面区域。这一特性使得表面催化反应强烈依赖于催化剂表面的物理化学性质。
活性位点专一性：并非整个催化剂表面都参与反应，而是特定的活性中心参与反应。这些活性位点是催化反应发生的具体位置，通常是特定原子排列或化学组成。例如，铂催化剂的台阶和扭结位点对CO氧化反应表现出远高于平坦表面的活性。
表面动态平衡：催化反应过程中，催化剂表面处于吸附-反应-解吸的动态平衡状态。反应物分子首先吸附在表面，经过表面扩散、化学反应后，产物分子从表面解吸，使活性位点再生。
结构敏感性：催化剂的催化性能由其表面的局部组成和结构决定，这种现象称为结构敏感性。不同晶面、缺陷位点、边缘位置等表面结构对催化活性和选择性有显著影响。
DOI:10.1002/adfm.202512495
反应机理与基元步骤
表面催化反应包含一系列连续的基元步骤，构成完整的催化循环：
吸附：反应物分子通过物理或化学作用吸附在催化剂表面的活性位点上。化学吸附涉及电子转移和化学键形成，通常为不可逆过程；物理吸附则主要通过范德华力实现，一般为可逆过程。
DOI:10.1039/D4EN00953C
表面扩散：吸附的分子或原子在催化剂表面迁移，寻找合适的反应位点或与其他吸附物种相遇。表面扩散的能垒通常远低于解吸能垒，但对整体反应速率有重要影响。
表面反应：吸附物种之间发生化学键的断裂和形成，生成产物分子。这一过程可能涉及反应中间体的形成。例如，在CO氧化反应中，CO分子与O原子在铂表面形成CO₂过渡态。
解吸：产物分子从催化剂表面脱离，再生活性位点，使催化循环能够持续进行。解吸过程通常是催化循环中的关键速率限制步骤。
催化剂的表面结构
催化剂表面在原子尺度上是异质的，包含不同化学性质的位点，如台阶、扭结、平台、空位、吸附原子等。这些表面结构特征对催化性能有决定性影响：
晶面效应：不同晶面表现出迥异的催化性能。例如，铂的(111)晶面相对于(100)和(110)晶面对某些反应具有更高的活性和选择性。铂单晶研究表明，(111)晶面缺陷较少，而高Miller指数表面则富含台阶和扭结，这些区域显示出更强的催化活性。
缺陷工程：表面缺陷（如台阶、扭结）通常位于低配位数的原子位置，是催化反应发生的关键活性位点。这些缺陷可以提供额外的活性位点，增加活性位点密度，并优化反应能垒，从而提高催化活性和选择性。
DFT计算表明，表面台阶、扭结及其中毒会影响催化反应，如氨合成、合成气化学和CO氧化。
DOI:10.1007/s11705-024-2427-z
动态重构：催化剂表面在反应条件下可能会发生变化，影响催化活性和选择性。这种表面重构现象使催化表面处于动态变化中，增加了表征和理解的难度。
结论
表面催化作为化学与工程科学中的核心领域，其研究不仅揭示了化学反应在界面层面上的复杂机制，也为工业过程、能源转化、环境保护等领域提供了关键技术支持。
从表面结构与活性位点的识别，到反应机理的解析，再到催化剂设计与应用的不断优化，表面催化研究始终处于科学与技术的前沿。
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