浅谈纳米催化剂

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谈

纳

米

催

化

剂

院系：XX学院

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浅谈纳米催化剂

摘要：

纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要地概述了纳米材料在力学、磁学、电学、热学、光学和生命科学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。化学反应能否进行要根据自由能的变化，但仅仅根据自由能的变化还不能判断反应能否完成，因为化学反应的完成还取决于反应的能垒，即如果反应能垒很高，则必须为其提供一定的能量，越过能垒，完成反应。该能垒被称为活化能。而催化剂的作用就是降低该活化能，使之在相对不苛刻的环境下发生化学反应。催化剂改变反应速率，是由于改变了反应途径，降低了反应的活化能。纳米材料催化剂具有独特的晶体结构及表面特性。纳米催化剂具有比表面积大、表面活性高等特点，显示出许多传统催化剂无法比拟的优异特性；此外，纳米催化剂还表现出优良的电催化、磁催化等性能。

关键词：催化化学；催化剂；化学反应；活化能；纳米科学；纳米催化剂；比表面积。

有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。世界各国相继投入巨资进行研究，美国从2000年启动了国家纳米计划，国际纳米结构材料会议自1992年以来每两年召开一次，与纳米技术有关的国际期刊也很多。

一、纳米材料催化剂的特点。

纳米催化剂具有表面积大、稳定性好、活性高等优点。

描述催化剂表面特性的参数通常包括颗粒尺寸、比表面积、孔径尺寸及其分布等。有研究表明,当微粒粒径由10 nm减小到1 nm 时,表面原子数将从20% 增加到90%。这不仅使得表面原子的配位数严重不足、出现不饱和键以及表面缺陷增加, 同时还会引起表面张力增大，使表面原子稳定性降低，极易结合其它原子来降低表面张力。此

外，Perez 等认为NCs的表面效应取决于其特殊的16种表面位置，这些位置对外来吸附质的作用不同,从而产生不同的吸附态, 显示出不同的催化活性。

体积效应是指当纳米颗粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或比其更小时,晶态材料周期性的边界条件被破坏, 非晶态纳米颗粒的表面附近原子密度减小,使得其在光、电、声、力、热、磁、内压、化学活性和催化活性等方面都较普通颗粒相发生很大变化,如纳米级胶态金属的催化速率就比常规金属的催化速率提高了100倍。

当纳米颗粒尺寸下降到一定值时,费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级,此时处于分立能级中的电子的波动性可使纳米颗粒具有较突出的光学非线性、特异催化活性等性质。量子尺寸效应可直接影响到纳米材料吸收光谱的边界蓝移,同时有明显的禁带变宽现象；这些都使得电子、空穴对具有更高的氧化电位,从而可以有效地增强纳米半导体催化剂的光催化效率。

二、纳米催化剂的生产方法

目前生产纳米催化剂的方法很多,无论采用哪一种方法，制备的纳米粒子必须达到如下要求：表面光洁；粒子形状、粒径及粒度分布可控；粒子不易团聚；易于收集，产率高。

溶胶- 凝胶法是指金属有机或无机化合物经过溶胶-凝胶化和热处理形成氧化物或其他固体化合物的方法。沉淀法是在液相中将化学成分不同的物质混合,再加入沉淀剂使溶液中的金属离子生成沉淀,对沉淀物进行过滤、洗涤、干燥或煅烧制得所需产品。微乳液法首先需

要配制热力学稳定的微乳液体系,然后将反应物溶于微乳液中,使其在水核内进行化学反应,反应产物在水核中成核、生长, 去除表面活性剂,将得到的固体粗产物在一定温度下干燥、培烧,即可得到所需产品。应用等离子体活化手段不仅可以活化化学不活泼分子,还可以解决热力学上受限反应的问题。利用冷等离子体特有的热力学非平衡特性, 可使催化剂和活化过程低温化、高效化将使用等离子体方法制得的纳米Cu、Cr、Mn、Fe、Ni等颗粒, 按一定比例与载体加入自制的加载装置内混合,在机械力作用下可形成均匀、牢固的负载型纳米金属催化剂。

三、纳米催化剂类型

纳米金属粒子作为催化剂已成功地应用到加氢催化反应中。以粒径小于0.3微米的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成分制成的催化剂，可以使有机物加氢的效率比传统镍催化剂高10倍。金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用,还可以掺杂到高能密度的燃料，如炸药中，以增加爆炸效率，或作为引爆剂使用。将金属纳米粒子和半导体纳米粒子混合掺杂到燃料中，可以提高燃烧的效率。目前，纳米铝粉和镍粉已经被用在火箭燃料中作助燃剂，每添加约百分之十(质量分数)超细铝或镍微粒，每克燃料的燃烧热可增加1倍。

已报道的纳米金属氧化物催化剂有铜铬氧化物、Fe3O4、TiO2和CeO2等。用超细的Fe3O4微粒作为催化剂可以在低温下将CO2分解为C和H2O。A1Tschope等人用惰性气体冷凝法制备的金属氧化物CeO2

催化CO的氧化和SO2的还原反应,使反应活性、选择性和热稳定性显著增强。

纳米微粒作催化剂应用较多的是半导体光催化剂，纳米半导体比常规半导体光催化活性高得多。目前在光催化降解领域所采用的光催化剂多为N型半导体材料，如TiO2、ZnO、Fe3O4、SnO2、WO3、CdS 等，但由于光腐蚀和化学腐蚀的原因, 实用性较好的只有TiO2和ZnO，其中以TiO2的使用最为广泛。TiO2以其活性高、热稳定性好、持续性长、价格便宜、对人体无害等特征倍受人们青睐，成为最受重视的一种光催化剂，目前已广泛用于废水处理、有害气体净化、食品包装、日用品、纺织品、建材和涂料等方面。科学家们综合固载杂多酸盐催化剂和固体超强酸催化剂的优点，采用纳米TiO2为载体，硫酸根与钨硅酸一起作活性组分，采用超声波法制备纳米固载杂多酸盐新型催化剂。该催化剂经红外光谱分析,杂多酸根和硫酸根完全负载在TiO2上，透射电镜分析，前驱体TiO2是带孔的10nm左右的颗粒，催化剂为3-25nm的球形颗粒，其中10nm的颗粒大于60%。表明合成的催化剂为纳米级。纳米固载杂多酸盐催化剂是催化合成己酸乙酯的良好催化剂,不仅反应温度低,不用带水剂,而且催化剂用量少又易

回收,在工业生产中有较高的经济价值。

四、纳米催化剂的应用

纳米催化剂在化学电源中的应用。纳米催化剂在化学电源中应用研究主要集中在把纳米轻烧结构体作为电池电极。采用纳米轻烧结体作为化学电池、燃料电池和光化学电池的电极,可以增加反应表面积，