咨询委员会
咨询委员会
表面键的研究

辛勤

在石油炼制、人造液体燃料研究等大量的实践基础上,郭燮贤、藏景龄、陈荣等人先后开展了物理吸附、化学吸附等温线、等压线研究。根据发现的现象、规律,提出了活化吸附概念,进一步开展了化学吸附覆盖度和动力学关系。1960年张大煜先生在上海召开的中国科学院学部大会上作了《多相催化研究中的表面键理论研究》的学术报告。后来又提出了空位中心的作用概念和声子作用模型。进而开展了复杂反应动力学解析理论研究,启动了超高真空表面科学的设备安装研制等,並筹备了红外光谱研究吸附分子结构的方法。

当时,我国催化研究状况正如1959年在第一届全国催化学术报告会议上吴有训副院长所谈及的那样:“我们不仅已能仿制和掌握国外成熟的催化剂和先进技术,而且对国外处于探索阶段和初露苗头的催化剂研究,也能根据国家需要,集中力量取得突破”。中华人民共和国成立前,张大煜早在昆明建页岩油炼油厂时即对催化过程深感兴趣,在国民经济恢复时期,石油研究所内主要接受国家应急任务外,他当时亲自兼任二O一组课题组长,从物理吸附开始逐步开展有关催化基础研究,首先建立了国内最早的两套BET真空吸附装置,又专门请玻璃细工刘兴信(后来任副总工程师,成为玻璃吹制技术专家)以及韩行纯师傅等来所工作。在国内首先试制成功了真空活塞、石英弹簧以及高真空扩散泵……1955年制成水银测孔仪,组建了容量化学吸附装置。配合其它大型仪器的建立如:在全国最早引进电子显微镜(后来为支援兰州化物所搞原子弹爆炸用高能炸药研究调给兰化所)、真空天秤-重量法测吸附量装置、超高真空机组、动态质谱---是当时国内设备最精良、齐全的实验室初步具备了催化基础研究条件。早在上世纪五十年代就开始催化剂物性的测定;以后又进一步开展了催化反应机理和动力学的研究,在工业催化剂载体的物理化学结构对催化剂活性关系研究中发现载体(如硅胶、氧化铝、活性碳、硅藻土等)对催化剂有重要影响。在钴催化剂制备中发现钴硅复合物含量不同时会强烈地影响催化剂的还原和孔隙结构。由于水煤气合成反应受扩散控制,因而孔结构会强烈影响催化剂的活性、热稳定性和寿命,提出了催化剂制备时对孔隙结构的控制问题。在此基础上还研究了水煤气合成熔铁催化剂的还原和生成孔隙结构问题,1957年开始研究在钴催化剂上化学吸附考察了氢、一氧化碳吸附与反应性能间的关系。

当时已认识到催化反应:至少反应物之一与催化剂表面发生了作用而形成“化学吸附键”,此键在本质上与化学键相同,而又区别于一个分子内的化学键。由于催化剂表面所固有的或诱生的不均一性所形成的表面键在键角、键长与键能上会有很大的不同,从而形成一个表面键谱。不强不弱的键在反应中起主要作用,较弱和较强部分都困难于活化而不易发生反应。如何得到表面键谱图以预言催化剂活性,这是表面键理论要解决的关键问题。1960年组织开展这一工作时,微观的表面测试工具,有的尚在初期应用阶段(如红外光谱),有的仍在研制(如各种能谱仪),因而测量表面键谱尚有困难。当时,一方面是从分子振动光谱-表面振子模型出发(从表面传能角度提出),从理论上分析表面覆盖度对催化反应的影响,同时测量在反应条件下表面的真正覆盖度,从而设法求得在这种覆盖度下表面键能(实际上当时得到的是吸附能);

另一方面研究吸附等压线的规律,陈荣、臧璟龄、郭燮贤从Fe、Co、Ni负载催化剂的化学吸附等压线研究发现:一部分中心可直接吸附(A型),当升温时経活化中心可“诱生”吸附称为(B型),当降温时增加的吸附称之谓(C型)。如何认识A、B、C型中心在反应中的作用?试图以等压线的某些特征判断表面覆盖度与反应之间的关联,研究吸附热与表面键的联系(从配分函数计算;或从不同温度的等温式计算微分吸附热)。从表面振子模型出发,推出了吸附等压线上极大处温度与催化剂德拜温度接近。在实验上进行了铁、鈷、镍等催化剂的一系列等压线的测定,包括与吸附和混合吸附等压线;第三方面是反应机理的研究,如甲酸分解机理随表面键强弱的变化而不同。在镍催化剂上乙烯加氢机理研究中,探讨预吸附氧对表面键的影响。当时还进行了铂、镍催化剂上吸附一氧化碳的红外光谱研究,以期从微观角度诠释表面键问题,1963年后他又提出了探讨深化表面振子模型的物理意义,覆盖度与表面键有什么规律,如何沟通催化剂微观和宏观的表征参数等比较深入和具有吸引力的研究课题。

当时作为张大煜先生的助手郭燮贤先生曾在环化法制甲苯的研究中观察到烷烃芳构化有诱导期,而烯烃芳构化则没有,从这个问题着手提出了“烷烃芳构化半氢化根机理”,有效地解释并计算了各种烷烃芳构化反应的相对速度及其芳烃产物的分布规律。1961年他协助张大煜开展“表面键”催化理论研究。郭燮贤撰写的“化学吸附与反应速度”的文章。在1963年全国催化报告会上报告后受到大会的重视。在这时期,郭先生提出了吸附中心和空位都对化学吸附及反应有贡献,并做了动力学推导。这是和国际上当时刚提出的有构和无构的概念以及其后发现的反应动力学多中心模型是同步地。尤其是刘建业、吕永安、郭燮贤、張大煜等人在工业熔铁催化剂上开展地在合成氨条件下氢、氮化学吸附和混合吸附的实验研究,(采用容量吸附方法利用氢、氮导热系数的不同分别计算出氫、氮的化学吸附量,发明了K值法提高了吸附量测定精度---在二十一世纪初西方的仪器公司才引用在吸附仪中,压汞仪在本世它初才仪器化)这在上世纪六十年代无论从实验技术還是理论分析都应当是世界领先水平”。发表的二篇论文“化学吸附覆盖度和动力学关系”在化学通报上发表。在当时是高水平的结果。当时实验室的一批技术人员:吴俊奇、王作周、尹桂林、梁秀云等在物理吸附、化学吸附、反应分析技术等方面具有丰富的经验和造诣保证了这些高水平的工作。

文革后,在“表面键”的思路下,辛勤为组长的“吸附态化学组-503组”广泛的开展了催化剂表面吸附态,尤其是探针分子分子光谱用于催化剂活性相表征的研究。先后发展了一系列原位分子光谱方法,特别是发展了双分子探针方法,为催化剂活性相表征开拓了新领域。郭燮贤先生等又将配位场理论应用于金属载体相互作用研究中,通过CO吸附态的研究深化了对相互作用的认识,对“高分散金属与担体相互作用机制”提出了新的解释,同时利用同位素方法测定了CO/金属表面上绝对吸附速度和脱附速度,除证实了前人发现吸附支持脱附的(AAD)现象外,还进一步发现绝对吸附速度和空位中心密度成正比,脱附动力学是非线性的,以及吸附饱和覆盖度和温度服从Arrhenius公式,并且在此基础上,提出了“易位吸附”和吸附/脱附协同机理,创造性地阐明了吸附动力学和化学吸附动态平衡之间的理论关系,修正了Kislink方程。在1996年国际催化会议上(Baltimor, Maryland, USA),日本东京大学化学系Iwasawa教授在他的“催化方面分子设计”大会报告中提到,他讲的内容有三个主要背景,第一是他的老师Tamaru教授做的化学吸附工作;第二是美国光谱学的知名教授Goodman的工作;第三是郭燮贤教授提出的吸附/脱附协同机理作为他工作发展的基础。

“AAD”的研究推进和深化了多相催化反应的形式动力学研究。对活性中心及其相互作用认识进一步深刻化。

回顾国内催化基础研究可以发现:在认识链条上同当时国际催化界是同步的,其中在化学吸附尤其是共吸附的研究是有特色的。空位中心和活性中心相互作用对了解活性中心调变是具有重要意义。由于同国际学术界的交流甚少影响了我们科学进步。政治运动影响了我国科学技术的发展。

国际上催化界同仁,在大量催化剂表面化学吸附物种研究及催化剂表靣反应动力学的关联结果。使得对活性中心有了深刻的认识並在对各种工作理论中归纳总结出对活性中心相互作用的几何因素和电子因素的认知。这些观点和概念在当时甚为盛行。大量的化学吸附实验结果和规律对人们认识活性中心的催化性能的关联和认知提供了丰富的依据。据此,人们提出了许多催化剂工作理论:金属催化剂的D-电子理论、半导体催化剂的电子理论、活性集团理论、配位场理论、晶体场理论、多位理论、表面鍵理论……

这些历史又能给我们什么启迪?如何理解传承?现在和过去又有什么联系?怎么联系?

咨询委员会

(C)COPYRIGHT  DICP  NET CENTER