孙世刚教授：重视基础理论的研究才最有生命力
发布时间：2008-10-28 19:48 原文链接： 孙世刚教授：重视基础理论的研究才最有生命力
——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