一、基本概念与核心定义
1. 吸附能（Adsorption Energy）
- 定义：吸附质（气体、液体或溶质分子）吸附到吸附剂表面时释放或吸收的能量，体现吸附质与吸附剂表面之间相互作用的强度。
- 符号与单位：常用符号为ΔEads或Eads，单位为kJ/mol或eV 。
公式：ΔEads = Etotal - （Esubstrate + Eadsorbate)
- 其中：
- Etotal为吸附后体系总能量，
- Esubstrate为吸附剂（如固体表面）能量，
- Eadsorbate 为吸附质能量。
- 物理意义：
- 当ΔEads<0，表示为放热吸附，属于自发过程，常见于化学吸附，比如催化剂表面对反应分子的吸附 。
- 当ΔEads>0，表示为吸热吸附，属于非自发过程，常见于物理吸附，例如由范德华力作用引发的吸附。
2. 结合能（Binding Energy）
- 定义：将系统中的组分（如原子、分子、离子或粒子）分离至彼此间无相互作用的无限远状态时，所需要消耗的能量，反映了组分间结合的牢固程度 。
- 符号与单位：常用符号为Eb或BE ，单位包括kJ/mol、eV，在核物理领域常用MeV 。
- 公式：Eb=(∑Ecomponents)−Esystem
- 其中：
- ∑Ecomponents为分离后各组分能量之和，
- Esystem为结合体系的总能量。
- 物理意义：
- 结合能始终为正值，因为分离过程必然需要消耗能量，数值越大，表明系统结合状态越稳定。
- 应用范围广泛，在微观层面，可用于衡量原子间化学键能，例如 H₂分子中 H-H 键结合能为 436 kJ/mol；在宏观层面，可用于研究原子核的结合能，如质子与中子结合成氦核时会释放能量。
二、主要区别对比
对比维度 | 吸附能 | 结合能 |
|---|
研究对象 | 吸附质与吸附剂表面的相互作用（界面现象） | 系统内各组分间的相互作用（如原子、分子、核子） |
能量性质 | 可正可负（取决于吸附类型） | 始终为正值（分离需耗能） |
作用范围 | 限于表面吸附过程（一维或二维体系） | 适用于任何尺度的束缚系统（一维、二维、三维） |
典型应用场景 | - 催化剂表面吸附中间体
- 气体 / 液体在固体表面的吸附 | - 分子内化学键强度
- 原子核稳定性
- 纳米颗粒团聚能 |
计算逻辑 | ΔEads = E吸附体系 - (E吸附剂 + E吸附质) | Eb = (E组分1 + E组分2) - E结合体系 |
物理本质 | 表面作用力（范德华力、化学键、静电作用等） | 化学键能、核力、电磁力等 |
三、典型示例
1. 吸附能示例
- 催化反应：在 CO 在金属表面的吸附研究中，Somorjai 等通过实验测得 CO 在 Pt (111) 表面的吸附能为 -1.2eV（化学吸附）。[1]
- 活性炭吸附：活性炭对有机分子的物理吸附能通常为 -10 ~ -40 kJ/mol，主要由范德华力主导。[2]
2. 结合能示例
- 水分子：H₂分子中 H-H 键的结合能为436 kJ/mol，断裂该键需吸收能量
。[3]
- 原子核：氦核（⁴He）的结合能为 28.3 MeV，体现核子间核力的强度
。[4]
四、关联与易混淆点
1. 关联之处
- 能量本质同源：吸附能和结合能均源于电磁相互作用（像化学键、范德华力）或核力，本质上都是系统能量降低的体现。
- 部分场景重叠：在某些表面吸附过程中，若发生化学吸附形成强化学键，此时的吸附能与吸附质和表面的 “结合能” 相近，吸附能可近似视为结合能 。[5]
2. 易混淆点
- “结合能” 在吸附中的误用：部分文献存在将 “吸附能” 表述为 “结合能” 的情况，需依据具体语境判断。比如，若讨论 “分子与表面的结合强度”，实际指的是吸附能；若讨论 “分子内原子的结合强度” “核子结合”
，则是传统意义上的结合能 。（如文献中 “binding energy of CO on Cu surface” 常指吸附能）。[6]
- 符号差异：吸附能可能出现负值（对应放热吸附），而结合能始终为正，在使用公式计算和理解时，要特别注意能量差的方向 。
五、总结
- 吸附能聚焦于表面吸附过程的能量变化，关注界面相互作用，其数值可正可负，单位通常为能量与物质的量的比值。
- 结合能用于描述系统组分分离所需能量，数值始终为正，涵盖从微观化学键到宏观核力等更为广泛的相互作用。
- 在实际应用过程中，务必依据研究对象（是表面吸附现象，还是系统内组分的束缚关系）和具体语境，准确区分吸附能与结合能，避免概念混淆。
参考文献
[1] Somorjai, G. A. Introduction to Surface Chemistry and Catalysis. Wiley, 1994.
[2] Ruthven, D. M. Principles of Adsorption and Adsorption Processes. Wiley, 1984.
[3] Atkins, P. W. Physical Chemistry. Oxford University Press, 2018.
[4] Krane, K. S. Introductory Nuclear Physics. Wiley, 1988.
[5] Hammer, B., & Nørskov, J. K. Advanced Catalysis, 45, 71-136 (2000).
[6] Ma, S. et al. Journal of Catalysis, 378, 251-262 (2019).
