水热法制备催化剂的研究进展

水热法制备催化剂的研究进展

杨琴 201010703124 再生资源科学与技术101班

摘要：催化剂的制备是催化剂研究开发的一个重要方面，是影响催化剂性能的重要因素。本文综合概述水热法制备催化剂的技术特点，水热法制备催化剂的研究现状和进展，并介绍了水热技术与其他方法的组合与创新。

关键词：催化剂；水热技术；

Research progress on the preparation of catalyst with

the hydrothermal method

Abstract: The preparation of catalyst is one of the most important aspects of the research and development of it, acting as an important factor showing influence on the properties of it.The article summarizes the features, research status and process of the preparation of catalyst with the hydrothermal method comprehensively and also introduces some innovation and collaboration of hydrothermal method and other techniques.

Keywords: catalyst hydrothermal method.

1.引言

催化剂的制备是催化剂研究开发的一个重要方面，是影响催化剂性能的重要因素。相同组成的催化剂如果制备方法不一样，其性能可能会有很大的差别。即使是同一种制备方法，加料顺序的不同也有可能导致催化剂性能很大的不同【1】。因此，研究催化剂的制备方法具有极为重要的意义。目前催化剂的制备方法有浸渍法、沉淀法、溶胶—凝胶法、微乳液法、水热合成方法等，此外还有一些其他的制备方法（混合法、离子交换法、熔融法等）。其中水热法合成A型分子筛，纳米氧化物催化剂，纳米TiO2粉体等十分引人注目，是很有前景的一个发展方向，现在还处在积极探索和发展的阶段，需解决的问题还不少，诸如：催化剂水热过程中各种因素的影响规律，水热过程的机制和动力学研究，有机溶剂介质中的水热研究还不多，水热反应设备的大型化，水热法制备的催化剂活性评价工作还很不够，水热制备技术的放大和工业化报道很少等等【2】。但是，近几年的研究表明，水热法制备催化剂已经慢慢受到关注，尤其是水热法制备高活性和超高活性TiO2已引起研究者的高度重视，估计在未来10-20年间，以上存在的问题将会得到圆满解决，使水热法成为有前景的纳米催化剂合成技术之一。

2.水热法的特点及其反应机理

“水热”一词最早是在研究地壳热液演化时使用的，地质学中用来描述水在温度和压力共同作用下的自然过程，模拟地层下的水热条件研究某些矿物和岩石的形成原因，系统的水热研究是由华盛顿地球物理实验室进行的，通过对水热

相平衡研究表征了水热合成理论，在此基础上水热法开始应用于单晶生长和粉体制备【3】。

2.1水热法的基本概念

水热法是在特制的密闭反应容器(高压釜)里，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶。按研究对象和目的的不同，水热法可分为水热晶体生长、水热合成、水热反应、水热处理、水热烧结等，分别用来生长各种单晶，制备超细、无团聚或少团聚、结晶完好的陶瓷粉体，完成某些有机反应或对一些危害人类生存环境的有机废弃物质进行处理。及在对较低的温度下完成某些陶瓷材料的烧结等。按设备的差异，水热法又可分为“普通水热法和特殊水热法”，所谓特殊水热法指在水热条件反应体系上再添加其他作用力场，如直流电场、磁场(采用非铁电材料制作的高压釜)、微波场等。其中水热合成是分子筛合成的主要方法，也可用于合成一些晶型氧化物等纳米材料。

2.2水热法的特点

与其他方法相比，水热法具有以下特点【4-8】：

（1）反应在相对高的温度和压力下进行，反应速度较快且有可能实现在常规条件下不能进行的反应，水热溶液的黏度较常温常压下的黏度约低1-2个数量级，反应组分的扩散较快，晶体生长界面附近的扩散区更窄，更有利于晶体生长。（2）改变水热反应环境（PH值、原料配比等）可使产物得到不同的结构和形貌。（3）水热反应制备的纳米粉体粒度可调。通过控制水热反应条件（前驱物形式、反应温度、反应时间等）可得到不同粒径的产物。

（4）应用水热法可直接得到结晶良好的粉体，无须经过高温焙烧晶化，减少了在焙烧过程中的团聚现象，如硅酸锆采用水热法可在150℃下制得，而其他固相法要1200℃-1400℃下才能得到。

水热合成法要求反应环境压力高，其设备成本高，催化剂产量也受到了限制，目前工业上应用还比较少。

2.3水热合成反应机理探讨

水热法制备催化剂的反应过程中，水解是最基础的反应【9】。首先通过水解从中析出极为微小的结晶中心成为晶核，不同的水解条件(如不同的介质体得到的晶核数量和组成也不尽相同，而晶核的数量与组成却决定了水解沉的组成，及最后所得产品的性质【10】。从微观动力学角度分析，水热方法制得体颗粒的成核机理主要包括生长基元的形成和生长基元之间互相连接形成晶核。在水解反应过程中，反应物分子经历多个简单的反应步骤，最后转化为产物分子。每个简单的反应步骤就是一个反应基元。高价阳离子由于粒子半径很小，在水溶液中很难以简单的粒子形式存在，通常与水分子形成水合络离子单元M(H2O)n z+，随之经历聚合过程【11,12,13】：

水解过程中，水合络离子脱去一个H+，降低了钛的电荷。OH-起到“桥链”的作用，这样水合络离子之间可以连接成二聚体，二聚体可进一步聚合形成多聚长