表界面包括物體的表面和物體之間的界面：表面是指物體表層一個或數個原子層的區域；相與相之間的交界處，即兩相間的接觸表面稱為界面。在某些特定情況下，表面和界面沒有十分明確的界限，所以，有時候我們會統稱為表界面。
在納米催化劑中，存在許多表面和界面，這些表界面是納米催化技術的核心。俗話說：“磨刀不誤砍柴工”，研究這些表界面問題，有助于我們深入理解催化機理，指導設計目標性活性位點，是最終將納米技術應用到實際工業催化領域的必經之路。
圖1.納米催化中的表界面
Pengxin Liu, Ruixuan Qin, Gang Fu*, and Nanfeng Zheng*. Surface Coordination Chemistryof Metal Nanomaterials. JACS 2017.
從化學反應的角度來看，催化劑的表界面是絕大多數化學反應的主要場所。任何化學的反應都要從原子或分子的接觸開始，很多化學反應底物就在物體的表界面開始吸附、反應、脫附，直至完成整個反應歷程（如Fe催化合成氨反應，Cu/ZnO/Al2O3催化合成氣制甲醇）。
圖2. 納米催化中的界面結構
Zhang,Z.-c.; Xu, B.; Wang, X., Engineering nanointerfaces for nanocatalysis. Chem.Soc. Rev. 2014, 43 , 7870-7886.
從分子的層面來看，催化劑的表界面能否成為多相催化反應的主要場所是由物體的表面原子或分子結構決定的。與體相原子相比，位于物體表界面的原子處于配位不飽和的狀態，所以容易與其他物種發生物理吸附、化學吸附或者直接發生化學反應生成新的物種。但是并不是所有的物體表界面都能成為催化反應的場所，因為不同的表界面具有不同的吸附選擇性。
圖3. 二維限域納米催化中的表界面
Qiang Fu and Xinhe Bao. Surface chemistry and catalysis confined under two-dimensionalmaterials. Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 1842-1874.
具有化學反應性的表界面所表現出來的反應性能與表界面的結構密切相關。催化劑的表界面結構是多樣性的，與它們所屬的種類、制備方法以及所處的環境密切相關。
對于不同物種，即使具有相同晶面指數（米勒指數），它們的表面原子排布會明顯不同，如面心立方結構（fcc）的Ni、Pd和Pt與體心立方結構（bcc）的Fe以及立方晶系的金剛石。
圖4.面心立方結構（fcc）、體心立方結構（bcc）以及立方晶系的金剛石結構
G.A. Somorjai; Y. Li. Introduction to Surface Chemistry and Catalysis, 2ndvEdition. Wiley, 2010.
由三種基本表面結構（100）、（110）和（111）可以構成各種復雜的臺階表面結構和扭曲面，如fcc結構的一些復雜的臺階面（977）、（755）、（533）和扭曲面（14,11,10）、（10,8,7）（13,11,9）等。
圖5. 不同的臺階面和扭曲面
G.A. Somorjai; Y. Li. Introduction to Surface Chemistry and Catalysis, 2ndEdition. Wiley, 2010.
物體的表面結構還會因為所處環境不同而有所區別，這是因為表面吸附了其他物種而發生重構，如C在Ni（100）面上吸附會使Ni（100）面發生扭曲重構，S在Fe（110）面上吸附會使Fe（110）面發生扭曲重構等，Pt臺階面（557）和（332）在高濃度CO下會使Pt重構成為很小的納米團簇。
圖6. C和S吸附導致的表面重構
G.A. Somorjai; Y. Li. Introduction to Surface Chemistry and Catalysis, 2ndEdition. Wiley, 2010.
圖7. Pt（557）的STEM表征
F.Tao; S. Dag; L.-W. Wang; Z. Liu; D. R. Butcher; H. Bluhm; M. Salmeron; G. A.Somorjai. Break-Up of Stepped Platinum Catalyst Surfaces by High CO Coverage.Science, 2010, 327, 850-853.
不同的材料表界面結構所表現出來的性質各不相同。譬如文獻所報道，Pt（100）面是低指數晶面Pt中在電催化反應中的氧氣還原反應（ORR）活性最高，高指數Pt晶面在電催化甲醇氧化反應中的活性比低指數晶面的Pt高。
正所謂結構決定性質，只有研究納米催化劑的表界面結構，了解不同表界面的性質，建立催化劑在不同催化反應中的構效關系，才能指導我們生產制造出更多更好的材料，服務于現實生活。
下一講：電催化反應中的表面結構效應！
PS：僅供納米催化入門使用。學識有限，請批判閱讀；如有謬誤，望不吝指正！
