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孙世刚教授：重视基础理论的研究才最有生命力

2008.10.28

——纪念我国光谱事业30年，第十五届全国分子光谱学学术会议专家采访报道系列

在这个丰收的金秋季节，我国的光谱学界也迎来了属于自己的收获――第十五届全国分子光谱学学术会议在京隆重召开。此次会议的规模、参会人数以及期刊论文数堪称历届会议之最。在会议召开之前，会务组、分析测试百科网、中国光谱网组成了宣传报道小组，并有幸采访了一系列光谱学学术届的专家、教授和研究员，整理出来的这些访谈稿，希望尽可能忠实地记录和纪念我国光谱事业的30年，并展现会议的盛况。

孙世刚教授：重视基础理论的研究才最有生命力

记者：孙老师，您主要研究领域是在电化学，特别是在电化学催化及表面电化学等方面，利用原位红外光谱技术取得了重要成果。请您谈一下您是如何将红外光谱技术和电化学技术进行结合得这么好的？

孙世刚教授：电化学近几年主要在电催化、电池（能源电化学）等领域发展得很快，比如锂电池、燃料电池等用电化学方法进行能源转化。这一领域的进一步发展，需要从分子水平深入认识电化学反应的规律和机理。传统电化学技术本身不具备分子识别的能力，可以在测量能量的转换、得失电子数等方面给出一些有用的信息。但是我们要认识反应的过程、检测反应中间体和产物时，要用到一些光谱的技术。比如研究锂离子电池的界面，锂离子在充、放电过程中，会嵌入到电极活性材料里，再扩散出来，在涉及的界面过程中，溶剂分子也会发生变化；而我们需要从分子水平了解这样一个界面结构和界面过程。在燃料电池中也是这样，分子被氧化，化学键被打破，释放能量。在氧化的过程中，分子可能跟表面发生相互作用，发生反应分子消耗、转化和新的分子生成等过程。只有把这些过程认识清楚后，我们才能更好地发展锂电池体系，或者控制反应的进程。

我们一直努力发展适合电化学原位研究的谱学方法，我们研究小组做的比较多的是把红外光谱和电化学结合起来，即在电化学反应的过程中，用红外光作为探针来探测电极的界面和表面过程。厦门大学是在80年代末、90年代初就建立了这样一个研究平台。一方面在红外光谱本身的技术上，我们做了一些新的开发，建立起新的方法。比如我们把红外显微光谱法和微电极阵列结合起来，建立了电化学原位红外光谱表面组合分析的方法。另外，我们在电化学研究中，除了从分子水平上来监测反应的过程、表面的吸附物种以外，同时还需要研究动力学过程，要确定电化学中各种物质的反应速度。我们发展了一种时间分辨的原位红外光谱技术，这种技术在国际上是领先的。厦门大学的电化学研究有一个传统，不仅使仪器原有的功能得到发挥，更重要的是在此基础上，开发一些硬件、附件、软件或控制界面，这样我们就能够在常规的仪器上获得别人得不到的信息。

记者：我们觉得在动力学方面很难的问题是，如何捕捉反应过程中的中间产物，因为时间非常短。您是如何克服这些难题的？

孙世刚教授：电化学有个特点：它本身有个固/液界面（电极和液体），这个界面有个弛豫时间（响应不太快）；另外我们用红外光谱去探测电极的表面时，也有个时间常数，目前最快的技术是步进扫描时间分辨，简单说，这种红外光谱的核心技术是干涉仪一步一步扫描，在每一步扫描时同步触发电化学反应，并记录每个时间步长内产生的光谱和电化学信号。另外，我们需要克服电化学体系固有的时间常数的限制，所以我们用微电极、显微光谱，这样我们可获得快的时间分辨，现在我们可以在微秒级别上，跟踪监测反应物的变化、中间体的生成、表面物种的转换。

记者：您刚才所说微电极阵列，整个阵列大概可放多少微电极？

孙世刚教授：主要看每个阵元，每个阵元大概是微米或纳米级，因为红外波长的要求，不能太小。我们最小的可做到几十个微米，这样可以把多个电极放在一个阵列上，这样可以用显微镜将红外光聚焦，然后对阵列上的各个阵元扫描，一次性得到在不同阵元上的信息，每个阵元可以是不同材料、不同的结构，由此实现红外光谱表面组合分析。它本身是一个通用的方法，要看你做什么研究。如做催化，铂、钯都可以，也可用电磁材料如合金。微电极比常规电极的响应时间常数更小、因此响应更快。另外可做成纳米结构，很多情况下信号增强几十倍；特殊的情况下，发生异常红外吸收，谱峰发生倒反，可根据倒反的“负”信号判断物质已经吸附到表面，就可以马上识别它。

记者：孙老师您的工作曾发表在《Science》上，您能谈谈这个工作么？

孙世刚教授：你说的这项工作是做催化剂的。大家知道，我们很重要的一个研究方向是做电催化，这方面的工作又分为两方面，一方面是催化机理，我们前面已谈到用光谱的方法；另一方面就是做催化剂。催化的重要过程主要发生在催化剂表面，因此，催化剂的表面结构会对催化的性能产生重要的影响。

我本人从博士论文期间就开始研究表面的原子排列结构和性能的关系。当时研究的是单晶面模型催化剂，研究什么样的表面结构会有好的性能、会比较稳定。当时我就想，能不能把这些关于单晶表面结构的知识用到实际的应用中。实际的电催化剂都是在导电的碳表面负载一些非常细小的超微粒子（现在叫做纳米粒子），每个超微粒子到体积很小的时候都是单晶体。90年代初，我们当时就在研究，是否可以通过控制单晶体的表面结构来提高催化剂的性能。这就把我们从大块的单晶表面获得的基础知识，应用到实际的催化剂应用中。这是当时的初始想法。

那么，什么结构才能有这样的性能呢？实践经验告诉我们，这样的晶体表面原子排列都比较开放，即具有高指数的晶面。1996年时有篇《Science》文章，报道用化学方法来得到单一形状的、表面确定的纳米子。这时候都是指数较低的结构，如四面体、立方体、八面体，但得不到其它更高指数的粒子。因为在合成一个纳米子时，最终要稳定下来，合成体系的能量要最低，即粒子的表面能越低越好，而低指数的粒子表面能低，可以稳定。用化学还原金属粒子的合成也得不到单一形状的粒子，需要一定的方法来调控（如加入活性剂），调控生长速度，使其各向异性，特别是要使某些晶面长得比较慢。比如使100面长得慢一定能形成立方体；使111面长得慢一定能形成四面体或八面体，其余的都消失掉了。从研究单晶结构与性能关系的规律中，我们知道，高指数的晶面会具有高活性，但表面能很高，很不稳定。这时就要发展新的方法。

我们最终这个方法的思路是把“自上而下”和“自下而上”两种思路相结合，而电化学方法是其中重要的一步。我们合成的催化剂是Pt催化剂，合成的这种晶体的结构在自然界是不存在的，它具有高的表面能、高的催化活性、高的稳定性，一旦形成这种晶体后就稳定了，但在形成过程中，我们要调控，使高指数晶面的能量降下来，比如使用电化学的吸附（如氢或其它物种的吸附），一旦吸附上去，表面能量就降下来了。同时用氧吸附去筛选，去掉不需要的表面，只留下需要的表面。但在整个研究过程中，需要长期的积累，需要对单晶表面过程做很多研究，需要知道哪些结构是稳定的，哪些结构是不稳定的。

记者：您认为在其中最关键的一步是什么？

孙世刚教授：是电化学调控。化学调控目前还无法长出高指数晶面的铂族金属纳米晶体，只能得到四面体、立方体、八面体。

记者：您的“合成出具有高电氧化催化活性的二十四面体铂纳米晶”这一课题入选“2007年度中国基础研究十大新闻”，那么催化剂的性能取决于什么？

孙世刚教授：催化剂有三个指标，即催化反应的活性、催化剂本身的稳定性，和对不同反应的选择性。我们可调控表面结构，来调控催化剂的活性和选择性。现在很多人都在做这方面的工作。我们原来是用电化学的方法，今年用其它方法也可以获得高指数的晶面，来调控结构，这项研究非常有前景。比如，Pt是一种最好的催化剂，在很多情况下是不可替代的，借用加拿大的一个全球最好的、经营了很多年的燃料电池公司科技人员的话：“Pt是目前为止，上帝给我们的最好的催化剂。”但Pt非常昂贵，如果使其活性提高，使用量减少，会大大地降低成本，获得效益。所以，当时我们的工作投《Science》，很快就发表了；而且有企业来找我，因为他们每年要消耗十几吨的Pt催化剂。

重要问题的解决是一个长期积累的过程。我们花了很多年时间，来研究单晶表面结构和性能的关系。大概在90年代中期时，我还没有想到去控制晶体的表面结构，当时我的想法是，实际催化剂表面是微晶，是否可以使晶面转到某一个方向，使所有的表面都是同一个晶面。当时做了一些工作，有一些进展，但没有取得突破性的进展。通过长期的积累，我们才能控制表面的结构。对重大关键问题的研究需要有一个长期积累的过程，而且技术的进步也有个发展的过程。比如，当时大家主要关注的是把催化剂的用量减少下来，衡量的指标是在碳载体表面使用尽可能少量的催化剂，上世纪60年代，这个数字是每平方厘米几十个毫克；现在工业上常规使用的，已经是每平方厘米不到一毫克，大概降低了2个数量级。即使这样，成本还是很高。到了80年代初，研究者们才开始对粒子表面结构和性能关系进行研究。所以，这是一个研究长期积累的过程。

记者：您还在给本科生讲物理化学课，能不能谈一下物理化学、结构化学、量子化学这些课的关系，以及这些基础课对科学研究的作用。

孙世刚教授：国外的物理化学是包括热力学、动力学、结构化学、量子化学的；而国内的物理化学是把后面两部分分出去了，而仅指前两部分，其实这些都属于物理化学。我们讨论的催化是属于整个物理化学的一个应用分支，是应用背景很强的部分。但我们在做应用的时候，要用到很多的基础理论知识。我们的大学主要是打基础，以后更高阶段的学习、研究都是建立在这个基础之上的，只是不同阶段我们关注的重点不同，比如某一阶段我们关注的是热力学，另一阶段关注的是动力学。所以，研究生自己要学会主动学习，不能等着导师完全想好了说：“这个课题就这样做”，这样的工作一定没有创造性。我们需要的是，导师说：“这个方向很有意思，值得探索，去试试看。”其实，科学最有生命力的，还是基础支撑的部分。科学研究是不能赶时髦的，比如，不能今天纳米很热，就赶着做纳米，发了几篇文章，但下面再做什么，不知道了。真正有生命力的研究必须有基础的支持。纳米只是一个对象，我们可以应用很多基础的理论去做，如果为了纳米而做纳米，没有基础的支持，是做不长久的。我们研究纳米，纳米只是一个尺度，在这个尺度上，我们研究如何通过电化学、结构化学的基础，来发展方法，来控制它，获得更好的催化剂。有了基础做支持，研究的水平和单纯为做纳米而做纳米是不一样的。我们国内和美国都有点赶时髦，从我个人感觉，欧洲非常重视传统的东西，在应用的方面虽然不及美国快，但在对一个新的科学问题思考时，欧洲雄厚的基础和对基础的重视可以支持研究者们走的路更长。

记者：您在科研之路上，什么时候是您最困难的时候？

孙世刚教授：我上大学是78年（77级），现在正好三十年。我觉得最难的时候是在法国巴黎居里大学做博士论文的时候，那时知道自己要研究什么问题，但还没有找到一个合适的突破口，读博士的时间有限，所以这个时候是最焦虑的时候。这时跟导师有一些讨论，但如果完全是导师知道的，就不会是新的、特别有价值的研究。这个研究的第一步是非常重要的，要花很多时间、很多精力去做很多探索，但一旦找到突破口，也就找到了科研的方法，以后就相对容易了。

记者：您能具体描述一下是什么样的一个课题？

孙世刚教授：我那时是做电化学机理的，最好的方式是捕捉到合适的中间体。当时是研究燃料电池的氧化机理，如果能找到关键的中间体，后面问题就比较清楚了。当时尝试了很多，都不是很理想。最后是有一次，我看到一个信号，以为是噪音，但以前没看到过，我就请教了导师，他很有经验，说：“把灵敏度放大，条件改进。”我一改进，果然就抓住了，就是它！所以，猛一看好像是偶然的东西，但其实也不是偶然，如果没有以前的努力，也一定抓不住它。从此以后，我研究进展就相对快了。

记者：今年是光谱学发展三十年，您能谈一下您对今后光谱学发展的看法么？

孙世刚教授：光谱学本身既有基础理论，又有应用，它的信息可直接同化学、物理一些本真的理论结合起来。比如我在光谱学上看到一个振动的谱带，可以马上把它跟分子的一种振动模式联系起来。还有很多的理论来支持我们从光谱上看到的现象。因此，我认为光谱学是非常前沿的研究领域，光谱的方法、技术、理论都发展很快，而且这个领域对于科学的任何一个分支都是很重要的推动。一方面，光谱本身的理论和基础理论的本质联系在一起；另一方面，光谱作为一种技术和方法，去推动各个领域研究的深入。

我去年在美国参加FACSS会（美国光谱和分析科学联合会）时，发现近红外、成像技术都发展很快，近红外方面我国已经发展得与国际接轨，但成像技术方面我国还做得比较少。

中国的光谱发展三十年很不容易，我第一次参加分子光谱会是在90年代初，当时印象李灿是刚毕业的博士研究生，会议邀请他做了一个大会报告，我觉得他在光谱的催化应用方面做得很不错，所以以后我坚持参加分子光谱会，此外就是参加电化学会。由于光谱的理论和科学的基础结合在一起，所以，任何学科用到光谱，研究水平和层次就可上升到分子水平。比如电化学研究，如果只获取电化学信号，得到的是一个平均的信号，一个唯象的信息，只能看到电子转移的过程。如果引入光谱研究，就可以得到分子水平的信息，可以获知分子的变化。

中国目前的光谱仪器现在买得多了，但还需要提高用的水平。买来的仪器不仅用它给你的功能，而且要自己有想法，可以对仪器进行设计、改造，比如采用新的装置，或者可以发展自主研制的仪器。虽然相比国外，我们的基础研究还有很长一段路要走，但在一些自己有想法的领域，自主研发仪器是有可能的。三十年来，中国的光谱界有许多进步，培养了很多人，研究整体的水平、层次都在提高。但这次会议时间紧了一点，墙报交流的时间只有一小时，最好延长到2～3个小时。另外，这次请做报告的都是教授，还应该给学生一些机会。其实，学生做报告有时更好，他讲的更原始、更直接。另外，报告涉及的方面还是不是太全，比如应用的偏多，基础的、理论的部分还比较少。

附：孙世刚教授简介

孙世刚，男, 1954年7月出生。理学学士(厦门大学，1982年)、法国国家博士(巴黎居里大学,1986年)、厦门大学化学系教授、固体表面物理化学国家重点实验室研究员、博士生导师。厦门大学副校长。国际电化学会会士(ISE Fellow)，英国皇家化学会会士 (FRSC)，教育部科学技术委员会委员，中国化学会理事，电化学委员会副主任，中国微米纳米技术学会常务理事，纳米科技分会副理事长，中国物理学会表面与界面物理专业委员会委员，国际电分析化学(J. Electroanal. Chem.)，功能材料快报(Functional Material Letters)，国内《物理化学学报》、《电化学》等学术期刊编委，《光谱学与光谱分析》副主编。1993年起获得国务院特殊津贴，两次作为第一完成人获得国家教委科技进步二等奖，并获国家级教学名师奖，国家级教学成果一等奖，中国光华科技基金二等奖, 中国博士后科学基金会首届“国氏”奖, 国家重点实验室建设金牛奖等多项奖项。主持国家杰出青年科学基金(1995年度) “八五”和“九五”重点项目、、“十五”和“十一五”“973”计划子项目和 “纳米科技基础研究”重大计划的重点课题等重要科学研究项目。迄今已培养了5名博士后，13名博士，24名硕士和多名物理化学本科学士。

主要研究方向：电催化、表面电化学，谱学电化学、纳米材料电化学，电有机合成和电化学能源, 侧重固/液界面环境中原子分辨上的表面结构与性能和分子水平上的电化学反应机理和反应动力学研究。

主要科研成果：已在Science，Angew.Chem.Int.Ed.,J.Phys.Chem., J.Chem.Phys., Langmuir, Electrochim.Acta, J.Electroanal.Chem., J.Power Sources,《中国科学》，《科学通报》，《高等学校化学学报》，《物理化学学报》等国内外重要学术刊物上发表280余篇研究论文，获国家发明ZL授权7项。

专题：第十五届分子光谱学学术会议

电化学分子光谱孙世刚

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周锦帆