Introduction to Surface Chemistry and Catalysis pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Wiley-Interscience

作者:Gabor A. Somorjai

出品人:

页数:694

译者:

出版时间:1994-3-18

价格:USD 165.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780471031925

丛书系列:

图书标签:

• 科研
• 表面化学
• 催化
• 界面科学
• 化学吸附
• 催化剂
• 表面现象
• 化学工程
• 材料科学
• 纳米技术
• 反应动力学

精益求精：材料科学的微观视角与宏观应用 本书旨在深入探索材料科学的基石——那些决定材料宏观性能的微观结构与相互作用。我们将目光聚焦于物质的表面，那里是物质与外界发生一切交流的舞台。无论是令人惊叹的催化反应，还是材料的机械强度、导电性、光学特性，抑或是生物相容性，表面化学的原理无处不在，悄然塑造着我们所见所用的万物。 第一篇：理解表面的语言——基础理论与表征技术 本篇将为读者打下坚实的理论基础，帮助我们理解“表面”究竟意味着什么，以及如何“看清”它。 第一章：物质表面的定义与重要性 我们从最根本的问题出发：什么是表面？它与本体（bulk）有何本质区别？表面原子因摆脱了与周围原子完全对称的包围，会呈现出独特的电子结构和化学活性。我们将探讨表面能、表面张力等基本概念，并阐释它们在固、液、气三相界面上的表现。 为何表面如此重要？我们将通过一系列生动的例子来揭示表面在各个领域的关键作用：从工业生产中的催化剂效率，到日常生活中的食品保鲜，再到人体健康中的药物递送，无一不与表面现象息息相关。例如，纳米材料之所以展现出卓越的性能，很大程度上是因为其极大的比表面积，使得表面效应占据主导地位。 我们将审视不同类型的界面：固-气界面（如多孔材料的吸附）、固-液界面（如腐蚀、电化学反应）、液-液界面（如乳化、萃取）、固-固界面（如晶界、摩擦）。每种界面都有其独特的物理化学过程和研究方法。 第二章：表面的原子结构与电子态 深入理解表面，就必须审视其原子层面的排列。我们将介绍晶体表面的结构，包括理想表面、重构表面、吸附位点（台阶、缺陷、拐角）等。这些微小的结构变化，往往是理解表面化学反应的关键。 表面原子的电子结构与本体原子有所不同。我们将探讨表面态、表面电子密度分布，以及如何利用量子力学理论来描述这些特性。理解这些电子态，有助于解释为何某些原子更容易在表面发生反应，或形成特定的键合。 本章还将介绍表面缺陷的重要性。例如，材料表面的空位、位错、杂质等缺陷，往往是催化活性点或腐蚀发生的起始区域。我们将分析缺陷的形成机制及其对表面性能的影响。 第三章：表征材料表面的关键技术 “看不见”的表面，我们如何才能“看见”并“测量”？本章将系统介绍一系列强大的表面分析技术，它们是我们探索表面世界的眼睛和手。 显微技术： 扫描隧道显微镜 (STM) 和 原子力显微镜 (AFM)：这两种技术能够以原子尺度分辨表面形貌，甚至可以探测单个原子的位置和性质。我们将详细介绍它们的工作原理、成像模式以及在表面结构研究中的应用。 透射电子显微镜 (TEM) 和 扫描电子显微镜 (SEM)：虽然它们主要用于观察体材料的微观结构，但结合表面衬度技术，也能提供表面形貌和成分信息，尤其适用于分析纳米颗粒的表面。 光谱技术： X射线光电子能谱 (XPS)：XPS是研究表面元素组成和化学态的“金标准”。它能够提供表面几纳米深度内的元素信息，并区分不同化学环境下的同种元素。我们将探讨其原理、谱图解析以及在表面污染、氧化、化学吸附等方面的应用。 俄歇电子能谱 (AES)：AES与XPS类似，但空间分辨率更高，适用于微小区域的表面成分分析。 紫外光电子能谱 (UPS)：UPS主要用于研究表面的价电子带结构，对于理解表面电子性质和费米能级至关重要。 红外光谱 (IR) 与拉曼光谱 (Raman)：虽然这些技术也常用于体材料，但当应用于表面时，可以通过选择性检测表面吸附物或表面官能团，提供丰富的化学信息。特别是表面增强拉曼光谱 (SERS)，能够极大地提高对痕量物质的检测灵敏度。 衍射技术： 低能电子衍射 (LEED)：LEED是研究表面结晶结构和表面对称性的有力工具。通过分析电子束在表面散射形成的衍射斑点，可以确定表面的二维晶格结构。 X射线衍射 (XRD)：虽然XRD主要用于体材料的晶体结构分析，但通过掠入射XRD (GIXRD) 和薄膜XRD等技术，也能提供表面层或薄膜的结构信息。 其他重要技术： 二次离子质谱 (SIMS)：SIMS是一种非常灵敏的表面成分分析技术，能够检测到ppb级别的杂质，并提供同位素信息。 温度程序升温脱附 (TPD)：TPD是研究表面吸附物性质、吸附能和脱附动力学的常用方法。通过加热样品并监测脱附气体，可以了解吸附物与表面的相互作用强度。 第二篇：催化——驱动化学变革的引擎 本篇将聚焦于表面化学中最具应用价值和研究深度的领域之一——催化。我们将深入剖析催化剂的设计原理、作用机制以及在工业和社会发展中的关键作用。 第四章：催化作用的基本原理 什么是催化？为何催化剂能够加速化学反应而不被消耗？我们将从热力学和动力学角度解释催化剂如何通过降低反应活化能来实现加速。 均相催化与多相催化： 区分两种主要的催化形式，并探讨它们各自的特点、优缺点以及在不同反应体系中的应用。例如，液相反应中常见的均相催化，以及气-固界面上的多相催化。 催化剂的活性、选择性与稳定性： 这三个指标是衡量催化剂性能的关键。我们将深入讨论影响这些指标的因素，包括催化剂的组成、结构、表面性质、反应条件等。 催化过程的步骤： 以多相催化为例，详细分解催化反应的各个步骤：反应物扩散到催化剂表面 -> 吸附 -> 表面反应 -> 脱附 -> 产物扩散离开催化剂。理解每个步骤的速率限制，对于优化催化剂设计至关重要。 第五章：多相催化剂的设计与制备 催化剂的组成： 从金属、金属氧化物、非金属化合物到复合材料，我们将探讨不同类别的催化剂材料，以及它们在特定反应中的优势。例如，贵金属（Pt, Pd, Rh）在氧化还原反应中的高效性，以及稀土氧化物在选择性催化转化中的作用。 催化剂的载体： 载体不仅仅是提供支撑，更重要的是能够影响活性组分的 dispersion、散热、抗烧结等性能。我们将介绍氧化铝、二氧化硅、活性炭、分子筛等常用载体材料的特性及其选择依据。 催化剂的形貌与结构控制： 纳米颗粒、介孔材料、单原子催化剂等先进催化剂结构，是如何设计和制备的？本章将介绍溶胶-凝胶法、沉淀法、浸渍法、模板法等多种制备技术，以及如何通过调控这些技术来获得具有特定形貌和纳米结构的催化剂。 催化剂的表征与性能评估： 如何证明一种新型催化剂是有效的？我们将回顾前面介绍的表面分析技术在催化剂表征中的具体应用，例如，通过XPS分析活性位点的化学态，通过TEM观察纳米颗粒的尺寸和形貌，通过TPD研究吸附过程。 第六章：典型的催化反应与应用 工业催化： 石油化工： 裂化、重整、加氢、脱氢等过程是现代石油化工的支柱，我们将探讨涉及的催化剂和反应机理。 氨合成： Haber-Bosch法是人类历史上最重要的工业催化过程之一，我们将深入分析其催化剂（铁基）和反应条件。 汽车尾气净化： 三元催化器在减少有害气体排放方面发挥着关键作用，我们将了解其Pt-Rh-Pd贵金属催化体系。 合成气转化： 甲醇合成、费托合成等是利用CO和H2生产化学品的重要途径。 环境催化： 污染物去除： 工业废气（SOx, NOx）和废水（有机物）的处理。 能源催化： 燃料电池： 氧还原反应 (ORR) 和析氧反应 (OER) 的高效催化剂是关键。 电催化与光催化： 水分解制氢、CO2还原等，利用电能或光能驱动化学反应。 生物催化与仿生催化： 借鉴酶的催化机制，设计人工催化剂。 第三篇：表面化学的拓展应用 本篇将进一步拓展表面化学的视野，探讨其在材料科学、生物医学、环境科学等更广泛领域的应用。 第七章：吸附与分离 吸附过程的机理： 物理吸附与化学吸附的区别，吸附等温线（Langmuir, Freundlich, BET），吸附容量与吸附速率。 多孔材料与吸附剂： 活性炭、沸石、金属有机框架 (MOFs)、共价有机框架 (COFs) 等新型吸附材料的设计与应用。 在分离技术中的应用： 气体分离（如CO2捕获）、液体纯化、色谱分离、离子交换等。 第八章：腐蚀与防护 金属腐蚀的电化学机理： 阳极过程、阴极过程、电解质的作用。 腐蚀类型： 均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂等。 腐蚀防护策略： 表面钝化、缓蚀剂、电化学保护（牺牲阳极法、外加电流法）、防护涂层（油漆、电镀、化学镀）。 第九章：表面改性与薄膜技术 目的： 改变材料表面的润湿性、粘附性、耐磨性、导电性、生物相容性等。 方法： 化学处理： 表面活化、等离子体处理、化学气相沉积 (CVD)、物理气相沉积 (PVD)。 物理处理： 喷涂、溅射、阳极氧化。 自组装单分子层 (SAMs)： 在固体表面形成有序的单分子膜，实现精确的表面功能化。 薄膜技术： 晶格匹配、界面能、薄膜生长模式（Volmer-Weber, Frank-van der Merwe, Stranski-Krastanov）。 第十章：表面在生物医学中的应用 生物相容性材料： 医用植入物、人工器官的表面设计，避免免疫排斥和血栓形成。 药物递送系统： 纳米载体表面修饰，提高靶向性和生物利用度。 生物传感器： 利用表面吸附或识别生物分子，检测特定物质。 抗菌表面： 改变材料表面特性，抑制细菌生长。 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解表面化学与催化这一学科的精髓。通过理论学习、技术掌握与案例分析，我们希望读者能够激发对这一领域的兴趣，并将其所学应用于解决现实世界中的科学与工程挑战。

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