纳米催化技术

纳米催化技术综述

学院：化学化工专业：化学工程姓名：孙晶芸学号：MZ13485

[摘要]纳米材料由于颗粒小、比表面积大、形成凹凸不平的原子台阶，这些特性是催化剂所必备的，因此进行纳米催化材料的研究开发是非常有意义的。本文就纳米粒子的制备及应用领域为中心进行探讨。[关键字]纳米催化；稀土催化材料；光催化

引言

纳米催化剂由于其高效的还原或氧化作用，在催化领域的应用非常广泛，与普通商用催化剂相比，表现出高活性和高选择性等优异的催化性能。在反应中，纳米催化剂的尺寸、形貌、表面性质等对其活性和选择性起到了关键的作用。纳米颗粒由于尺寸小，表面所占的体积分数大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等，导致表面的活性位置增加，这就使纳米颗粒具备了作为催化剂的基本条件。随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，这就增加了化学反应的接触面。

催化剂的作用主要可归结为三个方面：一是提高反应速度，增加反应效率；二是决定反应路径，有优良的选择性，如只进行氢化、脱氢反应，不发生氢化分解和脱水反应；三是降低反应温度。近年来在纳米催化剂的研究方面已取得一些成果，体现了纳米催化剂的优越性[1-5]。目前，关于纳米粒子的催化剂有以下几种，即纳米金属催化剂，主要以贵金属为主，如Pt、Rh、Ag、Pd，非贵金属有Fe、Co、Ni等。第二种以氧化物为载体，把粒径为l nm-10nm的金属粒子分散到这种多孔的衬底上。衬底的种类很多，有氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钛、沸石等。第三种是WC、γ-Al2O3、γ-Fe2O3等纳米聚合体或者是分散于载体上。

纳米稀土Ti02复合氧化物[6-8]在可见光的照射下对碳氢化合物有催化作用，利用这样一个效应可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米Ti02薄层，有很好的保洁作用，在实验室已制成自洁玻璃和自洁瓷砖。粘污在表面上的物质，包括油污、细菌在光的照射下由于纳米TiO2的催化作用，会进一步氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质。这使高层建筑的玻璃、厨房容易粘污的瓷砖的保洁都可以很容易地进行。日本已经制备出保洁瓷砖，装饰了一家医院的墙壁，使用证明，这种保洁瓷砖有明显的杀菌作用。本文根据近几年国内外的研究报道，对纳米催

化材料以及稀土元素在该领域的的潜在应用作一总结，并提出应加强研究的内容。

1．纳米微粒制备技术

纳米微粒是指其粒径介于1～100nm之间的超细微粒，当微粒的尺寸缩小到纳米量级时，将会导出独特的体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应和界面效应[9]。纳米微粒的制备技术研究是纳米材料性能研究和应用的重要基础。20世纪90年代初召开首届国际纳米科学技术会议以后，纳米材料的制备研究得到迅猛发展，已成为目前国际上前沿热点领域。

纳米微粒制备方法主要有[10-12]：蒸发、冷凝或凝聚法，干燥法，沉淀法，沉积法，水/溶剂热合成法，液相模板合成法,微乳液法，水解法，分解或热解法，化学合成反应法，燃烧法，交换法，聚合法及自组装技术等。

在诸多制备技术中，化学法与化学一物理组合技术的研究发展更快，其中尤以液相化学法因其制备方便、条件相对缓和、成本较低、产物组成可控和产量较大等优点，目前已成为实验室和工业上应用最广的方法，常用于制备金属氧化物或多组分复合纳米粉体，近年来特别是等离子体、激光、超声波和微波等新技术及其与化学合成反应法组合制备技术得到了更大的发展和应用。

2. 纳米催化

2.1 稀土催化材料

众所周知，我国稀土矿以轻稀土组分为主，其中镧、铈等组分约占60％以上。随着我国稀土永磁材料、稀土发光材料、稀土抛光粉、稀土在冶金工业中等应用领域逐年扩大，国内市场对中重稀土的需求量也快速增加。造成了高丰度的铈、镧、镨等轻稀土量积压，导致我国稀土资源的开采和应用之间存在着严重的不平衡。

研究发现，轻稀土元素由于其独特的4f电子层结构，使其在化学反应过程中表现出良好的助催化性能与功效。因此，将轻稀土用作催化材料是一条很好的稀土资源综合利用出路。

催化剂是一种能够加速化学反应，且在反应前后自身不被消耗的物质；加强稀土催化的基础研究既提高生产效率，又节约资源和能源，减少环境污染，符合可持续发展的战略方向。到目前为止，能够在工业中获得应用的稀土催化材料主

要有3类，包括分子筛稀土催化材料、稀土钙钛矿催化材料、以及铈锆固溶体催化材料等。其中分子筛稀土催化材料又可细分为中孔、微孔、介孔、以及纳孔稀土催化材料等几大类，且目前主要用于炼油催化剂。

稀土钙钛矿催化材料[13]由于其制备简单、耐高温、抗中毒等性能优越，目前主要用作环保催化剂，也广泛用于光催化分解水制氢、以及石油化工行业的碳氢化合物重整反应等方面。目前已开发并应用的主要有钙钛矿型稀土复合氧化物催化剂、以及掺杂微量贵金属的稀土钙钛矿型催化剂等。

铈锆固溶体催化材料是应汽车尾气净化市场的需求发展起来的一种稀土催化材料。早期主要利用铈的储氧性能来调节汽车尾气中的氧化还原反应。后来发现单一的铈储氧材料其持久性耐高温性能并不能满足日益发展的汽车尾气催化剂的寿命要求，而添加一些锆可明显改善储氧材料的抗高温性能，从而改善催化剂的耐久性。目前，铈锆固溶体催化材料不仅用于石油化工领域的各种催化过程，也广泛用于汽车尾气净化以及其它环保领域。

与传统的贵金属催化剂相比，稀土催化材料在资源丰度、成本、制备工艺、以及性能等方面都具有较强的优势。目前不仅大量用于汽车尾气净化，还扩展到工业有机废气、室内空气净化、催化燃烧、以及燃料电池等领域。自20世纪90年代末以来，发达国家的环保催化剂市场一直以20％速度增长。因此，稀土催化材料在环保催化剂产品市场，特别是在有毒、有害气体的净化方面，具有巨大的应用市场和发展潜力。

2.2 催化燃烧

在20年之内，煤和石油在我国能源结构中仍将占主导地位。传统的燃烧方式燃烧温度高，超过1500℃，在这个温度下燃烧很容易产生氮氧化物，增加全球温室效应。另外，燃烧效率低，噪音高，且一些廉价燃料不能广泛应用。利用催化燃烧技术可改变燃烧方式，提高燃烧效率，降低燃烧温度，减少NO x的形成，且燃烧过程中噪音低，廉价燃料也可大量应用，具有高效节能、环境友好等优点，是燃烧技术的未来发展方向。据有关资料介绍，利用催化燃烧技术可提高热效率64％，燃烧效率可达99.5％，节能效果达15％以上。

我国现有近40套炼油装置，年加工原油超过2亿吨。另外，燃煤电厂，工业锅炉、以及民用取暖等，年消耗能源超过14亿吨标准煤。采用催化燃烧技术，其节能效果将相当可观。另外，2002年我国燃气式热水器产量达7600万台，利用催化燃烧技术，也可提高民用燃料的燃烧效率。因此，催化燃烧技术在天然气发电、