催化與表界面化學“十五五”發展戰略規劃概述

在國家自然科學基金委員會“十五五”發展規劃框架下, 立足世界科學前沿和國家重大戰略需求及學科長遠發展目標, 本文系統闡述了催化與表界面化學的科學內涵、戰略價值與發展規律, 深入分析了我國在該領域的研究基礎和面臨的主要挑戰, 梳理了未來五年亟需突破的關鍵方向與優先發展領域, 并在此基礎上就保障學科健康發展的相關措施與政策提出了若干建議與思考, 旨在為“十五五”期間我國催化與表界面化學的整體布局和高質量發展提供戰略參考.

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引言

凡尺寸有限的含有凝聚相的物質體系皆存在界面. 界面兩側的化學成分、凝聚相結構或周期性存在著顯著差異, 因而其物理和化學性質表現出明顯的變化. 一側為氣相或真空的界面被稱為表面. 凝聚相可以形成多相以及多種相界面(如氣-液、液-液、固-液界面等), 其物理化學行為涉及界面結構、界面分子相互作用、界面傳質與反應過程. 表界面化學就是研究表面或界面處的化學轉化與過程. 表面體系的化學研究就是表面化學. 若反應分子不斷在催化劑上吸附、活化與反應, 反應進程不斷加快, 產物不斷離開, 如此循環進行的化學過程, 即為催化. 依據能量輸入形式的不同, 催化又可分為熱催化、電催化和光催化等. 若涉及多相分散體系的吸附、潤濕、自組裝等界面行為, 則屬于膠體與界面化學的重點范疇. 若在電極/電解質界面發生涉及電荷轉移和物質轉化的動力學過程則稱為電化學體系. 催化與表界面化學作為物質科學中的重要組成部分, 致力于揭示界面處的物質轉化與性能調控的內在規律, 在能源和資源利用、高端制造、信息器件與生命健康等國家重大戰略領域中發揮著無可替代的支撐作用.

“十五五”時期是我國由科技大國邁向科技強國、由要素驅動向創新驅動的深度轉型的關鍵階段, 將進一步凸顯基礎研究在國家創新體系中的戰略地位. 我國催化與表界面化學正處于從“跟跑”、“并跑”到“領跑”的重要戰略窗口期. 為此, 系統梳理催化與表界面化學學科的發展規律和面臨的重大挑戰, 科學謀劃學科在“十五五”期間的戰略布局, 確定重點發展和優先支持領域等, 對于提升我國催化與表界面化學的原始創新能力和國際引領地位具有重要的科學價值和戰略意義.

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本學科的科學意義與戰略價值

化學是物質科學的重要組成部分, 而催化與表界面化學則是化學的核心學科, 是銜接基礎與應用研究的橋梁, 研究物質在不同相界面的轉化過程及其調控規律. 催化與表界面化學主要涵蓋催化化學、電化學、表面化學、膠體與界面化學等.

催化化學致力于在分子與表界面層次揭示化學轉化規律, 實現反應的高效、低耗與高選擇性調控, 是物質轉化的核心, 是碳循環、清潔能源、綠色化工及生命健康等前沿領域的重要基礎. 催化劑的精準設計、先進表征及對催化理論與機制的認知, 是催化化學發展的關鍵科學支撐. 通過催化可實現化石能源清潔利用、二氧化碳轉化、生物質與廢塑料循環升級, 支撐低碳經濟體系的構建, 服務國家“雙碳”目標. 光/電催化技術可將太陽能與電能直接轉化為燃料與高值化學品, 為可再生能源與人工光合成奠定基礎; 氫能技術也依賴于催化化學的持續突破.

電化學研究電能與化學能的相互轉換, 聚焦界面電荷轉移與物質轉化過程, 探究其熱力學與動力學機制, 為能量轉換、物質合成、信息傳感及微納制造等領域提供理論基礎與技術創新路徑. 電化學為國家能源結構調整、半導體產業自主創新、生物醫學傳感與高端化學品制造提供了科學支撐. 電化學能量轉換(動力電池、儲能系統、氫能技術)服務于新能源汽車與可再生能源利用; 電化學物質轉化(電合成、碳基分子催化轉化)支撐氯堿和電解鋁等基礎性產業, 為工業制造提供綠色途徑; 電化學信息轉換則利用界面處電子/離子的傳輸來實現生命體系化學信息的傳感與調控, 應用于神經疾病治療和腦機接口等尖端科技領域.

表面化學在原子和分子尺度研究表界面結構、性質與過程, 聚焦于表界面的精準構筑和性質調控, 探究吸附、擴散和反應等界面行為及電荷轉移與能量傳遞機制, 揭示表界面結構、電子態與宏觀性能之間的定量關系. 超高分辨與多模態表征技術推動了表面化學的快速發展. 表面化學基礎性和交叉性強, 是連接多學科的重要橋梁, 不僅為凝聚態物理、材料與生命科學奠定理論基礎, 也為能源催化、電子器件、量子科技、核技術等前沿領域提供基礎支撐.

膠體與界面化學研究微觀非均相體系與界面現象, 關聯微觀行為與宏觀性能, 揭示物質在微介觀尺度的分散與聚集穩定性、自組裝及界面效應、表界面潤濕與毛細現象等普適規律, 推動微介觀尺度關鍵技術突破. 膠體與界面化學的發展與國家戰略需求相適應, 加速向智能材料、生物醫藥與綠色化工等關鍵領域滲透, 為健康、農業、能源、材料及制造等國家重大戰略需求和國計民生行業提供關鍵科學支撐.

催化與表界面化學高度依賴基礎理論的創新發展與表征技術的持續進步, 其關鍵挑戰是復雜環境下表界面動態過程的微觀機制與構效關系. 在基礎理論方面, 多尺度量子和統計理論與計算模擬有助于揭示表界面物質與能量轉化規律. 高性能計算與人工智能加速形成智能建模新范式, 成為建立理論驅動的理性預測和性能設計的科學前沿. 在表征技術方面, 原位、動態與跨尺度表征方法的發展, 界面結構動態演變及全反應過程的追蹤至關重要, 多模態與超快動態可視化技術為本學科的發展提供重要的技術支撐. 理論與實驗相結合方面, 通過人工智能輔助, 構建“表征—解析—預測—調控”閉環, 實現從原子到介觀尺度的動態解析, 結合傳質、傳熱及外場效應建立定量構效關系.

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本學科的發展規律、研究特點及范疇

催化與表界面化學基于“結構—性能—機制”的內在邏輯和科學規律而發展, 隨著科學工具、理論方法和人工智能的不斷進步, 正經歷著前沿領域的變化與科學研究范式的變革. 其發展呈現出典型的“四化”特征, 即體系微觀化、過程動態化、領域交叉化和方法智能化. 總之, 研究體系從理想模型向復雜真實體系、從理想條件與環境向復雜工況條件深入發展; 表征方法由靜態穩態向原位動態、由單一模態檢測向多模態分析拓展; 研究范式從“結構—性能”經驗總結到“機理—預測”定量描述, 形成“工況表征—數據解析—模型預測—過程調控”的智能研究模式.

催化與表界面化學的發展既受到國家重大戰略需求的牽引, 又得益于表征技術的持續創新和突破, 并與理論計算、人工智能、大數據等深度融合, 形成了多學科交叉的創新研究范式. 在科學研究中, 將宏觀性質調控與微觀機制認知有機統一: 既著眼于新體系的創制和新功能的實現, 又致力于原子和分子水平的超高時空分辨表征和機理探究.

催化與表界面化學的研究范疇包括從原子/分子尺度到宏觀體系的表界面現象觀測及其調控規律認識, 進而揭示物質在諸多相界面的相互作用與轉化機制, 并構筑高效功能表界面體系. 它既要跨越微觀、介觀和宏觀的空間尺度, 又要跨越阿秒、飛秒到以年為單位的時間尺度, 其研究正不斷向多尺度和多層級拓展與深化.

催化化學的研究包括從活性中心結構的設計和精準構筑、反應中間體轉化到反應器集成的跨尺度研究, 實現對活性、選擇性和穩定性的精準調控. 催化劑的創制與開發已從早期憑經驗、靠試錯的大量篩選, 逐步演化為基于理論模擬和理性設計的精準合成. 面向能源轉型的重大需求, 耦合可再生能源的化石資源催化轉化正成為重要發展趨勢. 同時, 熱催化、光催化與電催化之間的協同融合, 及其與合成生物學等學科的交叉, 形成了跨學科發展的態勢, 為催化學科的持續發展提供新的機遇與動力.

電化學研究始終圍繞“電極/電解質”界面展開, 各種新型固態(聚合物)電解質的出現不僅豐富了電化學的內涵, 也推動了電化學技術的更新換代. 借助各種先進譜學方法深入揭示電化學界面的微觀機制和動力學特性是當代電化學研究的特征,目標是建立“材料結構—反應機制—器件性能”的科學關聯, 最終獲得高效的能量與物質轉化新體系.

表面化學沿著“闡釋—還原—創新”的發展路徑快速發展, 從經典的唯象模型解釋宏觀現象, 過渡到借助高分辨技術揭示原子/分子尺度的機理, 進而融合機器學習等手段推動材料設計與智能制造. 其研究涵蓋了表界面理論、反應機制、先進表征技術及在信息、催化、量子材料等領域的交叉應用. 近年來, 學科呈現出三大發展趨勢: (1) 測量精度與多維表征持續提升, 實現了從單原子、單分子到單自旋的精準探測; (2) 從靜態觀測邁向跨尺度動態追蹤, 發展出原位實時探測技術, 覆蓋了從秒到飛秒的動力學過程; (3) 從理想模型拓展至復雜實際環境, 探索極端工況下表界面響應與失效機制, 構建適用于量子與電子器件以及生命體系等復雜場景的高分辨測量體系.

膠體與界面化學研究物質的多相分散體系及界面行為, 重點關注膠體穩定性與相行為、非平衡體系與智能響應以及界面吸附、浸潤與自組裝等過程的熱力學與動力學, 旨在動態、跨尺度揭示微觀分子間作用機制、結構與宏觀性質之間的內在關聯. 多尺度與非平衡態基礎理論的發展, 不斷深化人們對膠體與界面體系的認知. 隨著先進軟物質表征技術的進步, 對膠體與界面體系從靜態到動態、從平衡到非平衡的多尺度解析成為可能.

催化與表界面化學的基礎理論發展呈現出由微觀到宏觀、由經驗到模型、由定性解釋到定量預測的發展趨勢, 整體經歷了從“定性理解”到“定量預測”、從“靜態結構”到“動態過程”、從“理想表面”到“真實工況”模擬的持續演進; 在微觀層次上, 以量子力學為基礎揭示微觀電子結構、化學成鍵與反應機理, 并通過統計力學與非平衡態理論建立原子尺度行為與宏觀熱力學、動力學規律之間的橋梁; 研究對象從早期理想晶面拓展至限域空間、單原子/團簇/納米催化劑、電解質與溶劑環境及膠體等復雜體系, 涵蓋原子到反應器尺度的多層級結構, 并涉及光、電、磁、熱、力、等離子體等多物理場耦合的非平衡過程; 隨著原位工況表征、高通量計算與多模態數據的快速積累, 人工智能與大數據驅動的理論建模正成為重要研究范式, 推動建立可預測的表界面反應模型、提出新的反應描述與“結構—性能”關系概念, 為表界面化學提供系統化的理論基礎.

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本學科的發展現狀與存在問題

我國催化與表界面化學研究近年來取得顯著進步. 在催化領域, 單原子催化、納米限域催化和光催化等方向已形成了重要的國際影響力, 在合成氣轉化、二氧化碳還原和廢塑料資源化等關鍵科學與核心技術方面取得多項原創成果. 電化學則依托國家新能源戰略, 在固態電池和芯片制造電子電鍍等攻堅和“卡脖子”方向, 建立了“理論—表征—人工智能”的創新研究范式. 表面化學在化學鍵分辨的qPlus原子力顯微鏡和飛秒激光掃描隧道顯微鏡等尖端表征技術方面取得重要突破. 膠體與界面化學在生物分子定向組裝和相分離動力學等前沿方向呈現良好發展態勢.

在快速發展的同時, 本學科仍面臨若干共性問題: 從靜態模型向動態、真實工況的研究范式轉變尚未完成, 對復雜反應體系中的“結構—性能—機制”關系的定量化描述仍顯不足; 人工智能與理論模型、實驗表征的深度融合有待加強, 跨尺度、多物理場協同研究體系尚不成熟; 高質量、標準化數據庫的建設以及原創性儀器的創制能力不足, 制約了數據驅動的智能設計與科學發現; 同時, 基礎研究與應用轉化銜接通道不暢, 原創性理論與顛覆性技術突破有限, 跨學科協同與系統性創新生態仍待進一步完善. 具體來說, 各學科發展面臨的主要挑戰簡述如下.

4.1 催化化學

催化化學的核心挑戰是催化劑的理性設計與精準構筑. 盡管通過可控合成與原位表征建立活性位結構與催化性能之間的關系一直是催化領域的主要研究方向, 但在大多催化體系中, “結構—性能—機制”之間尚未建立準確、定量的構效關系. 對于復雜的多相催化體系, 活性位的精準定位與定量描述仍是關鍵瓶頸. 尤其在工況反應條件下, 對催化活性位本征結構的動態表征仍面臨諸多困難, 從而制約了人們對催化過程本質的深入理解. 原創性催化概念與顛覆性反應路線是催化創新發展的原動力, 但我國在這方面的突破依然有限. 催化基礎研究成果轉化薄弱, 導致許多關鍵化工過程所依賴的核心催化劑自主化不足, 相關核心技術長期受到外部制約.

4.2 電化學

電化學的發展存在一定程度的表面繁榮現象, 大多數研究只是將電化學作為一種應用工具, 對電化學自身科學體系的發展貢獻不大. 在基礎電化學層面, 突出的問題包括: 缺乏針對內球反應的電子轉移理論, 完整的電催化反應動力學體系尚未建立; 偏重電極材料研究, 對電解質化學環境調控規律的認識尚待深化; 基礎研究與實際應用脫節, 基于溶液的基礎電化學研究結果往往無法直接應用于實際器件.

4.3 表面化學

研究主要集中于真空表面合成和模型催化兩個方向, 在低維分子量子材料合成領域進展顯著, 但在量子性質檢測與調控、器件應用方面進展緩慢. 模型催化研究仍以規整體系為主, 完全克服壓力鴻溝和材料鴻溝尚待努力. 核心表征儀器高度依賴進口, 跨學科協同與原創儀器研制能力不足.

4.4 膠體與界面化學

在基礎研究方面, 對跨尺度的分子聚集、膠體體系缺乏有效的理論計算模擬方法, 對分散體系的非平衡態、動態過程、界面聚集及相互作用機理的理性認識滯后, 軟物質體系與玻璃態結構的表征技術匱乏. 在應用基礎研究方面, 宏量制備中的穩定性和批次重現性有待提升, 實驗室成果向產業轉化脫節.

4.5 基礎理論

對復雜表界面體系而言, 現有基礎理論在高精度描述微觀電子結構與反應機理方面仍顯不足, 缺乏可在真實工況條件下可靠適用的新一代理論方法; 人工智能輔助的跨尺度模擬理論框架尚不成熟, 難以有效聯通量子層次電子行為與介觀乃至宏觀的熱力學、動力學過程, 多物理場耦合與復雜反應網絡仍主要停留在局部或經驗化建模層面; 同時, 理論研究多聚焦于具體體系與參數擬合, 尚未系統上升為具有普適性的模型、判據與概念框架, 制約了對反應活性、選擇性與穩定性協同調控規律的本質認識及學科整體的理論引領能力.

4.6 表征技術

缺乏完整的“工況表征—數據解析—模型預測—過程調控”全鏈條智能化研究體系, 不同模態數據的關聯分析存在著技術瓶頸. 基于新物理原理的表界面表征技術和原創性儀器研制能力薄弱, 制約了對復雜界面(如氣-固、液-固、軟物質、非晶態/非周期性界面以及深埋于材料內部或被反應環境覆蓋的真實界面等)的結構與性質的突破性認知. 現有技術難以同時滿足原子級空間分辨、高化學靈敏度和超快時間分辨要求. 在表面量子態與量子相干等性質的直接探測方面存在明顯不足. 在智能化表征方面, 多模態譜學數據的實時動態解析能力薄弱, 高質量標準數據庫建設滯后, 定制化表征方案設計的智能化程度不高.

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未來5年發展布局與優先領域

在系統論述了學科所面臨的重大挑戰、發展機遇與戰略思考基礎上, 未來5年, 催化與表界面化學將圍繞國家重大戰略需求和學科發展前沿研究, 重點布局以下發展方向和優先領域.

5.1 面向世界科技前沿

5.1.1人工智能輔助的理論、計算模擬與數據平臺

針對復雜表界面體系在真實工況條件下機理難以精準描述與預測的瓶頸, 系統布局和建設實驗和計算的表界面數據庫, 建立以人工智能輔助的理論建模與跨尺度模擬體系, 將機器學習深度嵌入電子結構計算、勢能面構建與動力學建模全過程, 實現微觀電子行為、統計力學描述與宏觀反應動力學之間的有效聯通; 面向多物理場耦合與復雜反應網絡, 重點發展人工智能驅動的自動反應路徑探索、三維構型與相空間高效搜索方法, 形成可遷移、可預測的勢能與動力學模型; 同步建設面向表界面體系的開放式數據平臺, 統一數據標準與元數據規范, 集成高精度計算、跨尺度模擬與原位工況實驗數據, 支撐模型訓練、驗證與持續演化; 在此基礎上, 凝練可引領實驗的新理論預測模型與反應新概念, 構建“預測—驗證—反饋”一體化研究范式, 為綠色能源、氫能與綠色碳科學等國家重大戰略領域中復雜表界面體系的理性設計提供系統的理論與方法支撐.

5.1.2超高時空分辨的動態與工況表征技術

圍繞催化與表界面科學體系的真實環境與極限分辨需求, 突破傳統靜態研究局限, 構建適用于真實工況的理論與表征體系, 實現從原子到宏觀尺度的全時空動態監測, 精準追蹤反應中間態與活性中心演化過程. 研究重點涵蓋真實環境下的原位多模態表征技術開發、大科學裝置支撐的精準觀測、膠體界面亞穩態演化機制解析以及數據驅動的跨尺度智能建模. 隨著測量分辨率逐漸逼近物理極限, 亟需突破傳統理論框架, 發展基于量子效應的新型探測機制, 并構筑人工智能賦能的跨尺度動態解析體系.

具體而言, 開展基于新奇物態與量子效應的原理探索, 建立多參量、多維度一體化測量的內在聯系, 形成對表界面全局構效關系的系統性認識; 發展以金剛石色心、電子自旋共振、量子干涉等為代表的量子精密測量技術, 實現對弱磁、相干傳能、自旋態及非晶材料的高靈敏探測; 研制并發展適用于復雜器件、化學反應及生命環境的原位高分辨儀器和方法, 融合人工智能實現跨尺度動態過程解析, 并自主開發核心探測器與軟硬件系統, 構建高端探測裝備的完整技術鏈, 形成良好的技術鏈應用生態. 在此基礎上, 通過建立“表征—解析—預測—調控”的研究閉環模式, 形成數字孿生模型, 為高端儀器研制、原子制造與量子信息等戰略領域提供關鍵科學與技術支撐. 表界面精準探測是實現能源、催化及材料等領域構效關系的定量刻畫與功能體系的理性設計的關鍵基礎.

5.1.3催化劑設計與活性中心精準構筑

面向“精準催化”的需求, 催化劑的創制正逐步由試錯式的大量篩選演化為基于機理認識、理論模擬和可控合成的理性設計, 致力于構建單原子、單原子合金、亞納米單團簇等活性位結構明確且微環境可控的催化體系, 并進一步發展催化劑設計與表面反應過程調控新方法, 建立清晰可靠的“結構—性能”關系, 推動催化科學向可預測、可設計的方向發展. 充分運用先進原位動態表征、大數據科學、人工智能的創新成果, 發展高性能催化劑智能設計和精準制備方法, 大幅縮短高效催化劑的研發周期. 建立功能導向的多級結構跨尺度精準構筑新范式, 發展兼具原子級精度與宏量制備能力的綠色合成技術, 提升我國關鍵工業過程催化劑的自主研發能力和話語權.

5.1.4碳基量子磁體與量子態調控

碳基量子磁體作為一種新型有機量子材料, 因其高度離域的π電子結構、弱自旋-軌道耦合以及外場可調的量子自旋態, 為研究拓撲序、量子糾纏與量子比特等前沿方向提供了理想平臺. 該方向突破了傳統金屬基磁體的局限, 推動輕質碳基材料的可控設計與多學科交叉融合, 助力從基礎研究到實際應用的全鏈條創新. 該領域聚焦五大研究方向: (1) 實現碳自由基骨架的原子級精準合成與自旋相干性的外場調控; (2) 揭示碳骨架拓撲結構與磁序/拓撲序之間的定量構效關系; (3) 探索量子自旋液體等新物態; (4) 解析自旋態的退相干機制并發展抑制策略; (5) 發展電子自旋共振耦合的掃描隧道顯微鏡等原位高分辨表征技術, 實時觀測自旋關聯與糾纏演化. 最終推動其在室溫長相干量子比特、高靈敏拓撲傳感器及高密度自旋存儲器等原型器件中的應用,為未來量子信息技術奠定基礎.

5.1.5表界面離子化學

離子是物質科學中的基本粒子之一, 廣泛應用于儲能離子電池、磁性材料制備、核素分離等領域. 表界面離子化學注重可控制備單離子、溶劑化離子、離子對、離子配合物及聚集體等多層次離子體系, 探究表界面離子的溶劑化結構、遷移動力學以及性能調控機制. 發展單離子制備與軟著陸技術, 精確表征表界面離子及其配位體系電子結構和光學性質, 定量描述離子間相互作用能及其在外場刺激下的動態響應, 建立離子-配體間的電荷轉移與能量傳遞微觀模型; 剖析離子溶劑化結構及其對離子活性的作用機制, 建立離子-分子特異性結合與指紋鑒定策略, 實現目標離子的高選擇性捕獲與識別; 闡明金屬離子對反應能壘與路徑的調控作用, 特別是電/熱催化過程中離子的動態作用機制; 開發基于開爾文探針力顯微鏡和量子探針掃描隧道顯微鏡以及超快光譜等超高時空分辨的表征技術, 實時監測溶劑化離子遷移與跨介質界面輸運行為, 建立真實的溶劑化離子模型, 發展非均勻介質理論, 將離子化學研究推至新的科學高度.

5.1.6特種元素材料表界面物理化學

稀土(特別是4f區鑭系元素)材料化學在工業應用和國防建設中發揮著重要作用, 是稀土材料從基礎合成到工業/國防應用的核心橋梁. 揭示稀土表界面的電子結構與能態調控規律對于稀土材料的開發和應用至關重要. 稀土材料的表界面物理化學是研究稀土基材料表界面區域的原子排布、電子結構、化學成鍵、能態分布及界面作用規律以及表界面理化性質與宏觀性能(催化、磁學、光學、電化學、力學等)關聯的核心內容, 其內涵聚焦于表界面結構特殊性、電子態特異性、界面作用耦合性三大核心維度. 稀土材料表界面物理化學的核心是4f和5d電子主導的電子結構特性, 這是其區別于非稀土材料表界面的核心標志, 也是表界面性能的本源. 稀土材料表界面化學應重點關注: (1) 4f電子的局域性與巡游性耦合; (2) 多價態電子躍遷與氧化還原特性; (3) 表界面能隙與4f-5d、4f-4f電子能級調控; (4) 界面電荷轉移與極化效應.

錒系材料表界面化學研究是核能源、核國防、核廢料處置等領域安全服役的核心科學基石. 錒系金屬鈾和钚是核武器部件和核能應用的關鍵材料, 其高反應活性及輻照導致的表界面化學腐蝕及表界面原子擴散問題嚴重制約了其工程應用. 解決此類工程難題, 關鍵在于深入開展表界面酸堿及氧化還原腐蝕機理的基礎研究. 5f區錒系材料表界面物理化學是研究錒系元素(Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm等)基材料表界面區域的原子排布、電子結構、化學成鍵、能態演化及界面作用規律, 揭示表界面微觀理化特性與宏觀服役性能(核相容性、腐蝕行為、輻照響應、界面輸運、化學活性)關聯的核心內容, 其涉及的關鍵化學過程包括: 環境氣氛分子在金屬或腐蝕層表面的吸附與解離、介質原子在材料體相中的滲透與擴散、金屬與腐蝕層界面處的原子富集以及臨界化學反應的發生. 由于鈾、钚材料具有高放射性和強毒性, 實驗研究面臨諸多限制. 應優先發展基于相對論量子力學的理論化學方法, 從微觀電子結構和化學成鍵出發, 結合表界面原子結構模型, 預測吸附能、擴散勢壘、反應速率、量子隧穿幾率等與腐蝕行為和原子擴散等密切相關的物理參數. 進一步結合機器學習技術, 構建材料微觀結構與宏觀腐蝕及原子擴散性能之間的構效映射關系, 從而為錒系關鍵部件材料的理性設計提供理論依據. 該研究對推動我國國防工業及相關科技發展具有重要戰略意義.

5.1.7軟物質界面物理化學

軟物質界面物理化學致力于突破傳統“靜態結構決定性能”的局限, 構建與認知具有環境感知與自適應能力的新型多層次界面體系, 并為生物醫學、能源環境和智能材料等領域提供重要的物理化學基礎. 未來研究的重點突破有以下四個方面: (1) 發展跨尺度理論建模與智能計算方法, 融合人工智能與多尺度模擬, 建立微觀作用與宏觀行為的有效關聯; (2) 發展原位動態分析與先進表征手段, 系統揭示從分子到宏觀尺度的結構演化與響應機制; (3) 研究多場耦合下界面組裝、輸運與相變行為的動態調控機制; (4) 設計智能響應型軟物質界面, 開發可感知環境并自適應調控的功能軟物質體系, 實現在生物醫學、能源環境和智能材料等領域的應用.

5.1.8多場耦合的界面電化學

界面電催化作為電化學研究的核心領域, 聚焦于電場與化學場耦合作用下的界面電荷轉移、分子相互作用及結構演化規律, 為能量轉化、物質合成與信息傳遞提供理論基礎. 重點研究電子轉移的化學選擇性, 深入解析電極表面化學環境對電子轉移過程的調控機制. 在電化學能量轉化領域, 固態電池和氫能技術的瓶頸均指向復雜工況下的動態界面問題. 需發展原位表征與人工智能輔助的研究范式, 實現從原子層級到器件尺度的界面動態解析與調控, 破解能量轉換器件性能與可靠性難以兼顧的難題.

重點研究方向包括: (1) 電子轉移的化學選擇性調控, 包括質子協同電子轉移、界面功能環境構建及手性電催化等; (2) 人工智能輔助創制新型關鍵材料, 如非貴金屬催化劑和固體電解質; (3) 發展多尺度理論與工況表征技術, 解析多場耦合下界面動態演化機制.

5.2 面向國家重大戰略需求與經濟主戰場

5.2.1氫能的高效轉化與利用

綠氫是我國能源低碳轉型的戰略組成部分. 通過可再生能源電解水制取綠氫, 并將其轉化為便于儲運的液態燃料, 是氫能高質量發展的重要路徑. 核心問題是提高各個能量轉化環節的效率, 須從基礎層面入手厘清從光能到化學能轉化全過程的微觀機制. 研究將聚焦于電極/電解質界面的質子耦合電子轉移, 突破質子隧穿驅動的加氫反應動力學, 揭示界面結構與催化活性/穩定性關系, 建立從微觀反應到宏觀系統的跨尺度模型, 推動低能耗、大規模綠氫制取與轉化. 在此基礎上, 發展人工光合成體系, 實現光、電、氫過程深度耦合, 構建太陽能驅動的氫能高效轉化與利用新原理.

5.2.2化石資源定向精準轉化

天然氣、煤、石油等化石資源的清潔高效利用是保障國家能源安全和實現“雙碳”目標的戰略基石. 如何實現高端化、多元化、低碳化和節能降耗, 仍是化石資源轉化利用領域的重大挑戰. 亟需發展分子水平定向催化轉化方法, 提高原子經濟性, 并注重高附加值化學品與材料的合成. 針對輕烴高值化利用, 發展脫氫、偶聯及官能團化等新反應; 圍繞重質烴與稠環化合物轉化, 探究高選擇性裂解與溫和開環反應機制, 構建其定向反應策略; 聚焦合成氣轉化選擇性調控, 構筑新型多功能催化體系, 開拓直接合成醇、酸、酯等高值含氧化合物新路線; 發展天然氣利用新途徑, 實現甲烷等惰性分子的溫和活化與可控C–C偶聯直接獲取化學品, 并探索甲烷與二氧化碳、煤等資源共轉化新路線. 通過揭示C–H、C–C、C–O等關鍵化學鍵的定向活化與轉化機制, 開拓新反應路線, 設計高效催化體系, 實現高選擇性轉化, 為促進相關化工過程轉型升級和能源產業可持續發展提供科學支撐.

5.2.3面向碳循環的催化新過程

在“雙碳”目標背景下, 重點關注可再生/可循環碳資源如生物質、廢塑料、二氧化碳等的高效催化轉化制高值化學品與燃料. 通過對C–H、C–C和C–O鍵定向活化及C–C、C–X鍵偶聯等關鍵基元步驟的深入研究與精準調控, 實現高效碳循環. 發展生物質“催化解聚—官能團重構—全組分利用”新路線, 實現其高效轉化制備綠色聚合物單體、藥物中間體和高密度航煤等, 為新型生物質煉制提供理論基礎和關鍵技術支撐. 針對廢塑料的高效利用, 突破分子結構復雜、鍵能高、流體性質特殊等瓶頸, 發展廢塑料中特定化學鍵選擇性斷裂和重組方法, 闡明熔融態下的界面傳質規律, 實現廢塑料的“斷鏈—功能化—重組”, 推動其從“降級回收”走向“升級再造”. 針對二氧化碳資源化利用, 耦合可再生光/電能或綠氫, 發展熱催化、光催化、電催化以及多能量場耦合驅動的二氧化碳催化轉化新過程, 理性設計并構筑具有多位點協同功能的催化體系, 實現溫和條件下二氧化碳與其他分子的高選擇性耦合轉化與高值利用. 發展綠電驅動的分子精準轉化方法, 突破電-熱耦合催化、中溫質子傳導材料、電極-電解質界面調控等關鍵科學與技術問題, 建立短流程、低能耗的電解合成新過程.

通過特定化學鍵的定向活化及精準轉化, 并耦合可再生能源, 開拓生物質、廢塑料、二氧化碳等的循環升級新路線, 為建立碳循環利用的綠色碳科學與技術奠定基礎.

5.2.4多孔催化材料表界面化學

分子篩等多孔材料在石油煉制、煤化工及可再生碳資源轉化等領域具有重要地位. 該領域應重點發展多尺度分子模擬和精準表征方法, 解析分子篩等多孔材料三維孔道和等級結構成核、生長與調控機制, 實現從理性設計到定向合成; 根據特定反應需求構建分子篩等孔材料三維結構, 探討亞納米空間內活性位點及局部電場對客體分子的協同激活作用, 研究多功能位點與反應擴散耦合機制; 構建吸附-擴散-反應跨尺度耦合模型, 搭建高效擴散等級孔材料催化反應網絡, 利用人工智能輔助設計實時描述客體分子擴散行為, 解決多組分與低含量活性位點的定量檢測與化學態分辨問題, 建立分子分布、動力學演化與催化性能的關聯, 實現微觀至宏觀尺度上分子篩等多孔材料催化反應耦合傳質傳熱的反應器優化設計.

5.2.5先進工業制造中的表界面化學

針對合成氨、合成氣與天然氣化工等重要工業過程, 通過催化劑與反應過程創新, 構建短流程、低能耗的催化新途徑, 實現工藝流程綠色再造. 傳統合成氨過程能耗高, 需發展光、電、磁、等離子體等外場驅動的低溫低壓新反應路徑, 系統解析催化劑表界面氮氣分子解離、氫物種反應性及中間物種轉化的關鍵步驟, 從原理上突破傳統哈伯法對高溫高壓苛刻條件的依賴. 同時, 系統突破催化劑規模化可控制備、反應器–工藝匹配與過程強化、系統能量集成優化以及數字化和智能化調控等關鍵技術, 為流程再造提供核心方法學支撐.

芯片制造中的電子電鍍是實現納米級互連與微納結構精密成形的關鍵技術, 其發展水平直接決定了芯片產業能力. 其核心挑戰是精準控制極端受限空間內多組分復雜體系的電化學沉積過程. 該領域亟需加強基礎研究, 系統理解金屬電沉積的成核生長動力學與添加劑作用機制, 揭示納米至原子尺度鍍層結構的動態演化規律, 建立鍍層結構與電學性能的構效關系. 通過解決芯片互連、三維封裝及高密度集成中的表界面基礎科學問題, 推動原子尺度精準沉積技術的實現.

針對先進工業制造中的極限精度與功能集成的迫切需求, 表界面原子制造正成為突破器件性能瓶頸和推動制造范式升級的重要方向. 通過對表界面原子級反應、遷移與重構過程的精準調控, 實現原子逐層構筑、缺陷可控引入及異質界面定向組裝, 是實現新一代高性能器件與功能材料的關鍵. 亟需發展基于表界面化學反應的原子級制造新原理, 構建可編程、可預測的原子制造方法體系, 系統揭示原子尺度結構對電學、光學、磁學、力學及量子性質的決定作用, 為先進芯片制造、能源器件及高端功能材料提供共性技術支撐.

5.2.6光電功能材料與器件中的膠體超結構

膠體顆粒的可控制備與超晶格結構構筑是膠體與界面化學及多學科交叉的前沿方向, 其核心是實現材料從微觀構建到宏觀功能的跨尺度研究, 建立結構有序性與協同物性之間的內在聯系. 該領域面向新一代光電功能材料與器件, 圍繞新型膠體粒子及組裝基元的設計制備、形貌控制、界面分子修飾與功能調控, 發展超晶格構建策略, 揭示其熱力學與動力學規律, 構建復雜多級結構(如非密堆積、手性、可重構等體系), 解決多尺度組裝、表界面調控及跨尺度制備等基礎科學問題, 為實現先進光子材料、高性能介電、半導體與鐵電材料的關鍵突破提供支撐, 并推動柔性電子、電磁調控與新型光電功能材料的發展.

5.2.7儲能界面電化學

儲能界面電化學主要探究電化學反應發生條件下化學電源內部多相、多尺度界面上的電荷轉移與存儲規律, 其電荷傳遞效率與界面穩定性直接決定了電池的關鍵性能. 針對電動汽車、無人機、智能電網、國防軍工以及空天探測等領域對高能量密度、高安全性電池的戰略需求, 建立基于非均勻非連續界面的電/熱/力多場耦合電子/離子跨尺度傳輸模型; 發展可適配固體電解質、高濃電解液、多孔/超厚電極等的電極過程動力學; 構建新型電化學儲能系統(如固態電池、有機電池、液流電池、水系電池、柔性電池等); 建立極端環境下電化學界面演變的人工智能輔助表征、解析與預測技術.

5.3 面向人民生命健康

5.3.1生物制造中的催化基礎

化學生物融合催化是催化科學與生命科學的深度交叉前沿. 建立并發展化學與生物催化功能互補、過程協同的新體系, 突破單一體系局限, 探究超越自然與傳統化學邊界的化學生物融合催化新機制, 實現淀粉、蛋白質、藥物、高端精細化學品等的高效合成, 建立跨學科融合的催化研究新范式. 著重探究化學催化與細胞工廠的耦合路徑, 揭示多活性中心或跨體系間的物質與能量傳遞規律, 提高物質與能量轉化效率, 解決反應條件兼容性與生物相容性的難題, 實現從簡單底物到復雜分子的高效合成. 同時注重仿生催化研究, 在分子與材料層面模擬生命體系的催化本質, 借鑒酶活性中心的精確結構、微環境調控及協同機制, 設計與合成高性能催化劑, 以實現“學習自然、超越自然”的目標.

5.3.2電化學信息轉化與腦機接口

電化學信息轉化是利用電化學特有的電子/離子界面實現生命體系化學信息的傳感、轉錄和調控, 已經在人工耳蝸、神經性疾病治療等方面取得應用, 在備受關注的腦機接口技術研發中具有重要的基礎科學性. 該領域致力于揭示生物分子與電極界面的電子轉移及信息轉錄機制, 為活體分析與疾病診斷提供新方法. 主要研究內容包括: (1) 建立系統科學視角下的生物電化學界面與體系; (2) 發展高性能生物電化學功能器件與高通量、集成化、智能化系統; (3) 開發數智賦能的腦機接口與類腦智能技術以及臨床可用的生物電化學診療系統. 通過基礎研究與應用轉化協同培育創新產業生態, 推動電化學生物傳感器和腦機接口等產業與技術升級, 突破國際技術壟斷, 增加我國在生物電子領域的話語權.

5.3.3面向生物醫藥的亞穩態組裝體系

面向生物醫藥領域的重大需求, 精準構筑亞穩態組裝體系, 研究非平衡態下跨尺度分子自組裝的物理化學規律, 實現高度動態、自適應的遞送與診療系統的構筑. 研究主要涵蓋以下三個方面: (1) 解析組裝過程中多重非共價作用的協同與競爭、非平衡態動力學控制及復雜熵焓調控規律, 發展能量流驅動的耗散自組裝理論, 實現亞穩態組裝體相變的級聯觸發與智能調控; (2) 研究液-液相分離凝聚體、非共價玻璃、凝膠及膠體馬達等亞穩態組裝體系的結構特征、界面效應與動態行為, 闡明其從亞穩態向穩態演化的路徑與機制, 發展相應的可控構筑與調控策略; (3) 構建高度可控、可編程的智能功能系統, 探究其在生物復雜環境中的動態性、自適應性及響應性行為, 進而實現對重大疾病的精準干預與高效治療. 這些研究將為智能響應生物材料、新型藥物遞送系統及仿生人工細胞的設計提供理論基礎與技術支撐, 并推動其在生物醫藥領域的創新應用.

5.3.4仿生限域界面與流體輸運

仿生界面化學是我國具有國際影響力的前沿方向, 以自然生物界面為藍本, 研究多相界面中的物質輸運、外場響應及跨尺度調控規律, 為黏附/潤滑、低能耗化工、能量轉換、高效分離及人機接口等領域提供科學基礎. 該領域的核心科學問題包括: 生物界面功能的形成原理、限域結構對分子/離子電子態與輸運行為的影響機制. 研究重點包括: (1) 仿生界面的構建方法, 界面黏附、潤滑、輸運等功能的物理化學本質; (2) 仿生限域界面對流體行為及反應活性的調控機制; (3) 面向極端環境的高性能界面材料跨尺度仿生創制; (4) 在超低能耗合成、限域微加工、能量轉換等關鍵領域的應用探索. 通過構建結構多級、功能精密的仿生限域界面體系, 精準調控分子結構與物質輸運, 有望推動化工、能源、材料等領域的綠色轉型, 對形成顛覆性技術、搶占未來科技制高點具有重要戰略意義.

6

本學科領域發展的保障措施與政策建議

根據催化與表界面化學的重要學科地位及自身發展特點, 完成上述重點發展方向與優先領域的研究任務, 取得顛覆性原始創新成果, 需采取切實可行、綜合有效的政策保障措施, 提升科學基金的資助效能.

加強重大科技任務的頂層設計和戰略布局. “十四五”后期, 國家自然科學基金委員會(以下簡稱“基金委”)作為主責單位承擔部分重大專項和國家重點研發計劃重點專項的立項工作. 面向國家重大戰略需求和科學前沿, 建立戰略科學家研討立項機制, 組織做好基礎研究和應用基礎研究戰略布局, 加強頂層設計, 做好有組織的科研, 是基金委面臨的新挑戰和重任.

探索重大非共識項目的遴選與資助機制. 重大非共識項目是基礎研究中最具原創性的項目, 是未來產生諾獎級創新成果的基石. 這類項目與基金委常規項目的遴選機制差異很大, 需要有符合科學探索性的爭論和戰略決策機制, 允許具有高風險、高原創性的研究方向通過差異化評審機制獲得持續資助.

在常規項目評審、立項與資助管理方面, 完善專家遴選機制和項目評價體系. 積極推動“一鍵”指派系統的完善; 進一步簡化項目同行評議表結構與評價內容, 函評意見要重點強調擬解決科學問題和研究創新性等核心評審要素, 將評審重心回歸科學問題本身, 聚焦研究方案的可行性與新穎性, 推進項目評審的精準化、科學化和規范化; 依據學科基礎性與重要性, 確保經費和資源配置與學科地位及實際貢獻相匹配. 在保證研究類資助項目數穩定增長的同時, 加大項目資助強度與學科權重比例. 在項目結題管理及評價時, 強調重大科學問題與原創貢獻, 弱化單一論文指標評價, 推動分類評價與多維考核機制. 優化科研成果評價體系, 將算法平臺、開源代碼、數據庫構建與知識圖譜形成納入科研績效考核指標, 推動科研成果形式的多元化、可復現與可持續發展.

在資助研究平臺建設方面, 設立面向基礎理論的專項基金, 鼓勵底層算法、建模理論及跨尺度模擬方法的原始創新研究, 弱化短期的功利性導向思維, 強化“從0到1”和源頭技術儲備研究. 建設國家級開放模擬平臺與高質量數據庫, 由權威科研機構牽頭, 構建可拓展、能共享的全過程數據庫與模擬系統. 建設國家級動態表征中心, 推動大科學裝置智能化升級及多模態平臺共建共享.

將研究項目與高端人才培養有機結合起來, 遵循科學發展規律, 健全人才選拔機制,鼓勵學科交叉、團隊協作與平臺共享. 加強跨學科的復合型人才培養力度, 支持研究團隊的長期穩定合作, 形成創新合力, 避免內卷式競爭. 強化交叉型青年人才培養機制, 鼓勵具有數理基礎與材料背景的復合型青年人才參與催化與表界面化學基礎研究.

加強基礎研究成果轉化機制探索和平臺建設, 對具有潛在重大應用價值或學科引領意義的研究成果開展持續滾動支持. 完善研究成果轉化渠道, 推動成果與國家重大工程、行業龍頭企業及應用場景的有效對接. 在二氧化碳轉化、綠色氫能與氨合成、燃料電池等關鍵能源技術研發中引入先驗理論模型模塊, 實現實驗設計與理論指導高度融合, 推動產學研深度協同, 提升研發效率與成果轉化能力.

加強監督體系建設, 維護科學基金項目公平公正性, 堅決抵制任何形式的學術不端行為, 加大懲戒力度, 營造風清氣正的科學氛圍, 持續推進學術道德建設.

提倡敢為人先、寬容失敗的健康科學文化, 鼓勵學術爭鳴與科學批判, 推動國內外內涵性學術交流, 全面提升我國催化與表界面化學的原始創新能力與國際競爭力, 培養新質生產力, 為我國能源與資源利用、原子和智能制造、健康與安全保障等提供基礎科學原理與核心技術支撐.

與學科“十四五”規劃[1]相比, 學科“十五五”規劃的保障措施更注重長周期支持、智能化科研體系與平臺共建共享; 在創新文化引領下, 弘揚科學探索精神, 構建面向未來的系統性創新生態. 未來五年, 我國催化與表界面化學不僅要服務于國家重大戰略需求, 而且要引領全球催化與表界面化學的創新性研究, 制定國際規則, 建立研究范式, 成為推動科技強國戰略和全球能源與材料創新的基礎科學高地.

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【致謝】感謝學科“十五五”發展戰略規劃顧問專家組、專家組和秘書組以及所有參與研討和提出建議的專家們, 感謝所有為各領域戰略規劃研討會提供支持的單位和科研人員.

【參考文獻】

1 Gao F, Yi X. Sci Sin Chim, 2021, 51: 932–943 (in Chinese) [高飛雪, 伊曉東. 中國科學: 化學, 2021, 51: 932–943]

全文信息

高飛雪, 何鵬. 催化與表界面化學“十五五”發展戰略規劃概述. 中國科學: 化學, 2026, 56, doi: 10.1360/SSC-2026-0040

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（本文編輯：劉四旦）

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