纳米催化材料

近年来,纳米技术的发展十分迅猛,对于人们的生活改善起到了较大的促进作用,因此我们有必要对于纳米技术这个新兴领域有一定的了解(本文以纳米催化材料为例)。

纳米技术主要的研究对象是任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。,在纳米尺度领域,量子化学和传统的物理定律是不适用的,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。在强化学键存在的材料里面,价电子的离域程度随体系尺寸的不同而变化,同时材料的结构也会因尺寸的变化而可能发生改变,因而导致物质表现出许多依赖于尺寸的化学和物理性质,这些性质包括物质的磁性质、光学性质、熔点、比热容和表面反应性等,本文则主要针对纳米材料的催化特性进行展开讨论。

一、纳米尺寸的材料具有高效催化性质的解释：

纳米结构材料具有很大的比表面积，表明在材料表面有许多原子，因而使得在表面-气体、表面-液体乃至表面-固体反应中原子的利用率非常高，而且表面原子的不饱和性导致大量不饱和键等，使得纳米微粒具有高的表面活性，另外，表面原子数所占比率越大，比表面积越大，那么材料的表面光滑程度就会变差，形成凹凸不平的原子台阶，增加了化学反应的接触面，使其具有优良的催化性能。

二、纳米催化材料的应用范围：

目前，纳米粒子在催化氧化、还原和裂解反应都具有很高的活性和选择性，对于光解水制氢和一些有机合成反应也有明显的光催化性质，因为纳米催化剂的特殊性质，国际上已将纳米粒子催化剂称为第四代催化剂。目前制备出的纳米材料在催化领域主要用于两个方面：一是直接用作主催化剂，二是作为纳米催化剂载体制成负载型催化剂使用。具体来说，一是作为光催化剂，其优点主要是粒径小，粒子表面数量多，光催化效率高，其次纳米粒子分散在介质中具有透明性，便于利用光学手段观察界面间的电荷转移以及纳米粒子光催化剂受到

的氧化还原的影响等，早前便有报道称纳米TiO2涂在高速公路照明设备的玻璃罩表面上，利用其光催化活性高，从而较容易将表面所沾油污分解，很好的保持了良好的表面透光性。二是催化加氢催化反应，早前有日本学者利用气体蒸发法制得纳米镍超微粒子，平均粒径30nm，将此微粒与雷诺镍在催化环辛二烯选择加氢反应中进行比较，发现此微粒比雷诺镍反应活性高出2到7倍，选择性则高出5到10倍。此外，纳米材料在其他催化反应中也有较多的应用，如在催化合成氨反应中，有学者以Ni-MgO催化甲烷法制得的碳纳米管为催化剂载体，嵌入钾催化剂，再经过脱氧、净化处理后，产物合成氨的产率大大高于同条件下常用催化剂的产率，且碳纳米管表面趋于碱性，有利于生成氨的脱附。

三、纳米催化材料的制备方法

一般分为化学法和物理法两大类。

化学法又分为（1）沉淀法，即通过化学反应使得原料的有效成分沉淀，经过过滤、洗涤、干燥、加热分解而得到纳米粒子，包括直接沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法、配位沉淀法等，其共同特点是操作简单方便。（2）水解法，即在高温下先将金属盐溶液分解，生成水合氧化物或者氢氧化物沉淀，再加热分解得到纳米粒子，包括无机水解法、金属醇盐水解法、喷雾水解法等，该法具有制备工艺简单、化学组成能精确控制、粉体的性能重复性好及产率高等优点，不足之处是原料成本高。（3）溶胶-凝胶法，即利用金属醇盐的水解或者聚合反应制备氧化物或金属非氧化物的均匀溶胶，再浓缩成透明凝胶，使各组分分布达到分子水平，凝胶经干燥、热处理即可得到纳米粒子。该法优点是粒径小、纯度高、反应过程易控、均匀度高、烧结温度低,缺点是原料价格高、有机溶剂有毒、处理时间较长等。（4）微乳液法，即利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成均匀的乳液，剂量小的溶剂被包裹在剂量大的溶剂中，形成许多微泡，微泡表面由表面活性剂组成，微泡中的成核、生长、

凝结、团聚等过程局限在一个微小的球型液滴内，从而形成球型颗粒。（5）电化学沉积法，即利用电解反应使物质在电极中以纳米尺寸均匀沉淀。

物理法则包括（1）惰性气体蒸发法，即在低压的惰性气体中，加热金属使其蒸发后形成纳米微粒。其优点是可以控制微粒的粒径大小及其分布。该方法适应范围广，缺点是设备昂贵，对制备工艺要求较高，故制备难度较大，且不可避免地存在杂质和孔隙等缺陷，影响了对纳米结构和性能的研究。（2）粉末冶金法，即把纳米粉末经过加压成块、烧结，从而获得块体纳米晶材料。其优点是不需要较高的烧结温度，缺点是晶粒尺寸容易长大、尺寸分布不均匀、微孔隙等不足。

四、存在的研究问题

1、纳米催化材料的稳定性问题，特别工业生产要求催化剂的重复使用，因此催化剂的稳定性很重要，实际上纳米金属离子在反应过程中会因为温度的升高颗粒长大。

2、对合成纳米催化材料的过程机理缺乏深入研究，对于微粒的形状、分布、粒度、性能等性状研究不够深入。

3、纳米粒子的收集和保存，

4、对纳米催化材料合成装置缺乏生产实际研究，工业化生产的设备需要进一步研究改进，以提高产率，降低成本。

5、纳米催化材料的性能测试和表征手段需要改进。

……..

五、展望

纳米催化材料制备技术不断发展以及其应用范围的不断拓展，对于化学理论以及实际应

用将产生重大影响，而我们现在需要做的就是去努力探索解决存在的一些问题。