纳米金属氧化物绿色催化剂
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4
金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想描述
的烷基化催化剂为三氯化铝或固体磷酸， 这类催化剂对设备具有很严重的腐烛性， 同时也在生产过程中产生大量有害废物； 如果使用无腐蚀性的改性纳米分子筛作 催化剂， 则解决了催化剂的腐烛性， 同时使目标产物的收率显著提高、 废物减少、 能耗降低，具有很高的市场潜力[9]。 2.3 能源领域的应用 21 世纪人类面临越来越严重的能源短缺问题，能源危机制衡着社会的发展， 并将长久的伴随和困扰着我们。 因此节能减排和可持续发展的概念已成为一种趋 势，而纳米催化剂的发展为这一目标的实现提供了可能。 例如，以纳米氧化铈和活性炭为主的纳米助燃催化剂(CeO2 /C)，经过特殊的 工艺处理，利用高度分散的氧化铈的活性，产生微爆效应，可以提高燃料的燃烧 效率，从而达到改良燃烧和减少排放的目的。研究发现，在同等热值的情况下， 加入 2%的纳米助燃催化剂,可以将燃油热值提高 10 ~ 15%，并减少一氧化碳、氮 氧化物和碳氢化合物等污染物的排放达 60%以上； 同时能有效清洁锅炉积碳， 提 升燃油锅炉的热效率。 此外，纳米催化技术在能源领域的另一个重要应用就是 CeO2 纳米催化剂表 面发生的水汽转移反应。NexTech 幵发了一类 Pt/CeO2 无机膜结构催化剂，发现 随着膜催化剂中CeO2 粒度的持续下降其反应活性迅速提高，至纳米尺度时性能 最佳。 与铜基催化剂相比， 该类催化剂在车用燃料电池领域显示出巨大的应用潜 力，且燃料电池的效率与成本明显降低。 3. 目标反应及副反应
2
金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想描述
的关注。 汽车尾气净化催化剂主要分为全贵金属型、稀土氧化物型和过渡金属型 等多种类型的纳米催化剂。 20 世纪 70 年代初，主要针对 CO 和碳氧化合物的排放实行控制，主要釆用 氧化性的纳米催化剂，其活性组分以铀和钮为主。到 20 世纪 70 年代末，随着 排放法规对NOX 的限制更加严格，双床式催化剂应运而生。20 世纪 90 年代初， 新一代的 Pt-Pd-Rh 三效催化剂因销、钮、铭之间存在协调作用，催化性能有了 明显的改善，成为尾气催化剂发展的一个重要方向[2]。 目前,稀土复合氧化物类汽车尾气消除催化剂广受关注，因为稀土氧化物具 有优良的 CO 氧化性能，同时还具有一定的NOX 还原活性;更重要的是，La、Ce 氧化物还具有较高的储氧能力，可以有效改善贫燃条件下的催化转化，使 CO 和 碳氢化合物进行更充分的深度氧化。而更新一代的纳米复合稀土氧化物催化剂， 将在汽车发动机气紅里发挥催化作用，使汽油在燃烧时就不产生 CO 和NOX 从而 无需进行尾气净化处理[3]。 （2） 降低温室效应 CO2 是绿色化学中最简单的可再生替代原料，以CO2 为原料生产高附加值的 化工产品不仅可以保护石油等日益枯竭的化石燃料， 还可以减少和控制主要温室 气体CO2 的排放总量，而纳米催化剂在CO2 的化学固定中大有作为。 Thampi 等在常温常压下用TiO2 − Ru RuOX 可将CO2 还原为甲烷[4]。 徐亦德等在纳米 ZnO 负载的稀土氧化物催化剂上进行CO2 选择氧化制乙稀 的反应时，乙烷的转化率可达到 60%，目标产物乙稀的选择性能够达到 90%以 上[5]。 魏俊梅等对比了由纳米载体ZrO2 − As和常规载体如γ − Al2 O3 或SiO2 负载的 Ni 催化剂在CO2 重整CH4 催化反应制合成气的性能，结果表明常规催化剂有明显 的失活现象， 而纳米催化剂具有良好的抗积碳能力，在连续反应 200 小时后活性 也没有下降[6]。 Dai 和 Au 使用纳米 Zn-Al-Mg-O 复合材料实现了CO2 和环氧化合物加成制备 环碳酸酯的反应， 在CO2 压力为 2.5 MPa， 120 ℃条件下反应 12 小时， 可得到 89% 产率的环丙稀碳酸酯，并且循环使用 5 次未见催化活性的降低[7]。 此外，纳米TiO2 光催化CO2 还原反应不仅能生成甲醇、甲酵、甲酸和甲烷等 一碳化合物，而且直接利用了太阳能，反应体系简便易控，因而受到了研究者的 重视。例如，Hiromi Yamashita 小组在 295 K 下对CO2 和H2 O的气态混合物进行光 催化反应研究，实验结果表明在纳米TiO2 的催化作用下，有甲烷和甲醇产生。而 更多研究者的研究发现， 通过负载金属 Cu 可以有效提高半导体纳米材料对CO2 的 光催化还原效率， 如在纳米催化剂 Cu/TiO2 的作用下,其生成甲烷的催化活性不高， 但能高效地催化甲醇的生成。
在这个反应体系里面， 苯环氧乙烷的生成反应是主反应，苯乙醛的生成反应是副 反应。 4. 反应机理类型 本催化反应体系是一个氧化反应机理类型。
5
金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想描述
笔者推测了在金属离子掺杂的纳米TiO2 催化作用下，以 TBHP 为氧化剂时， 苯乙炼氧化生成以苯甲酸和苯乙稀环氧为两种产物的反应机理,如上图所示。反 应过程中，催化剂中掺杂的金属离子首先将 TBHP 中的过氧键 0-0 活化，在催化 剂的表面生成含有金属-氧基复合物的活性物种；该活性物种可以将苯乙稀中的 C=C 双键活化，生成过渡态 1，过渡态 1 可直接形成一种氧化产物苯乙稀环氧， 并同时使金属离子回到催化前的初始价态进入下一次的催化循环；但是，如果此 时有另一分子的氧化剂 TBHP 参与反应进攻过渡态 1，则会生成过渡态 2，经过 电子转移后，过渡态 2 会发生 C-C 键的断裂，脱去一分子的甲酸，生成另一种 氧化产物苯甲醛。 5. 根据反应机理设计催化体系 催化反应： 向 配 有 一 磁 子 和 回 流 冷 凝 管 的 圆 底 烧 瓶 中 依 次 加 入 催 化 剂 M-Ti02 （M=Co-15）,苯乙烯，氧化剂 TBHP 和溶剂乙腈，将反应瓶浸入油浴中,在磁力 搅拌下回流。反应结束后，冷却至室温，离心分离出催化剂，取反应混合液用气 相色谱进行定性和定量分析。 使用过的催化剂经离心分离回收， 用丙酮洗漆后真 空干燥，进入下一次的循环使用。 二、 组分设计 1. 该反应体系的优缺点 二氧化钛是一种多晶型氧化物,共有三种不同的晶型:板钛矿相、锐钛矿相和 金红石相[11]。其中，锐钛矿相TiO2 既大量存在于自然界的矿石中，又可通过人工 方法制得，在常温下能够稳定存在,但在高温条件下将会发生相变，向金红石相 转化。从热力学稳定性方面来看，金红石相TiO2 是最稳定的，但它在自然界中的 含量较少，多数为人工制造，需要通过高温固相反应，经由无定形相一锐铁矿相
3
金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想描述
（3） 废水处理 随着工业发展和城市人口的增加， 全球许多城市的饮用水源都不同程度地受 到有机污染物的影响， 水体污染已成为现今社会最为重视的环境污染之一，水污 染治理和饮用水的预处理成为国内外学者研究的重中之重。 采用具有光分解活性 的纳米光催化剂，以分解废水中的 VOC 有机物是纳米催化技术应用潜力最大的 领域之一。 以太阳能化学转化和储存为主要背景的半导体光催化特性的研究始于 1917 年，但将半导体材料用于进行饮用水的深度处理和光催化降解水中有机污 染物的研究还是近十几年的事， 而釆用半导体纳米粒子作为光催化剂则是更新的 水处理技术。 与传统的化学方法相比较， 光催化降解有机污染物具有明显的优势， 由于光催化降解反应的速度较快，容易启动，因而特别适用于处理一些难降解的 有机物。同时，光催化反应体系在光的照射下会破坏有机物的分子结构，使其彻 底氧化成CO2 ，H2 O和无毒的无机小分子，可使被污染的水源达到脱色、去味、 去毒和除臭的效果，因而受到了广泛的关注。在水处理中，应用最为广泛的纳米 催化材料是 n 型半导体纳米材料，如TiCb，ZnO，CdS，WO3 。国内外的一些研 究报道表明， 半导体纳米粒子光催化氧化法对水中的经类、 齒代物、 表面活性剂、 含氮有机物和有机憐杀虫剂等均有良好的降解效果， 一般经过持续反应可达到完 全矿化。 同时大量研究表明， 半导体光催化氧化法具有氧化能力很强的突出特点， 对臭氧难以氧化的某些有机污染物，如三氯甲烧、四氯化碳、六氯苯等能有效地 加以光解， 所以对于难降解的有机污染物， 该方法显得更有意义。 其中， 纳米TiO2 是研究最多的光催化剂， 目前已知纳米TiO2 可以降解的有机污染物多达 300 余种。 TiO2 光催化剂具有良好的稳定性、价廉、安全无毒、矿源丰富并且这种催化剂对 水体中的有机污染物分解速度快、除净度高、无二次污染、易于控制，是一种具 有重要研究意义和潜在应用价值的光催化剂。 2.2 化工领域的应用 长期以来， 药用、 农用化学品等特殊的精细化学品的合成一直采用非催化的 有机合成反应。近年来，一些催化转化过程相继被报道，特别是一些采用纳米催 化剂的多相催化体系的有机合成过程，显示出独特的催化合成性能，引起了人们 的广泛关注。纳米催化剂可以从两个方面对精细化学品的合成有所贡献:一是提 供新的合成路线， 二是有助于副产物的除去或转化。在精细化工的工业生产过程 中采用纳米催化剂，可提高反应器的效率，改善产品结构，提高产品附加值和产 率等， 因此纳米催化技术必将是未来精细化工领域实现可持续发展的关键。 例如， 碳酸二甲酯是一种重要的甲基化试剂，可以代替硫酸二甲酯和氯甲烷等，但它的 传统合成方法需要使用光气作原料；如果使用纳米沸石作为环境友好的催化剂， 以甲醇和二氧化碳进行氧化羰基化反应，则避免了剧毒的原料光气的使用，并且 也彻底防止了意外事故的发生[8]。例如，在异丙苯的工业生产过程中，传统使用
金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想
金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想描述
wenku.baidu.com
一、 金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想描述 1. 反应体系的目的 作为纳米技术在多相催化领域内的应用而发展起来的新概念一纳米催化剂， 被国际上称作第四代催化剂。由于纳米催化材料具有比表面积大、表面能高、催 化剂表面活性位点多、 晶体内部扩散通道短等其它催化材料无法比拟的优势，使 得纳米催化剂在化学工业中大显身手。迄今为止,人们已经成功地设计合成了碳 纳米管、纳米金属(簇)、纳米金属氧化物、纳米沸石、纳米膜等催化材料，并且 这些纳米催化剂在许多化学反应中都显示出良好的催化性能。目前，如何开发出 更加绿色环保的纳米催化材料和拓展现有纳米催化剂的使用范围将会是未来研 究的重点方向。 而氧化反应是最早引起人类重视并得到广泛应用的一类重要反应。 在精细有 机化工生产中，通过氧化反应能够将化工原料转化成为醇、酮、醛、接酸、醌、 酚以及环氧化合物等一系列具有重要应用价值的化工产品。在氧化过程中，同一 种氧化剂能够使不同的官能团发生氧化， 而同一种官能团也会随着氧化剂的种类 和用量改变生成不同的氧化产物。 大多数有机物都可以在不同的反应体系中发生 氧化反应， 但被氧化的程度有很大差别， 因此选择性催化氧化是一项最具有挑战 性的难题[10]。 在过去的几十年里， 人们在改善和提高氧化反应效率及选择性方面 开展了大量的研究，并开发出多种多样的均相催化剂和多催化剂， 主要有金属有 机配合物杂多酸、离子液金属有机骨架化合物、分子筛、金属纳米粒子以及纳米 金属氧物等。本次设计金属离子掺杂的TiO2 纳米粒子作为非光催化剂应，用于苯 乙烯旳液相催化氧化反应中。 2. 应用价值 在进入充满生机与挑战的 21 世纪的今天，人类正面临着资源、能源和环境 等问题的严峻挑战，协调环境保护与可持续发展已刻不容缓。与此同时，以纳米 技术、 信息技术和生物技术为龙头的新技术的迅猛发展为解决这些问题提供了新 的手段和方法，并正在引发一场全新的产业革命。毫无疑问，作为 21 世纪三大 主导技术之一的纳米技术必将在这场革命中发挥至关重要的作用[1]。 2.1 环境领域的应用 化学工业的日益壮大,为人民的生活水平提高提供了物质保障，但同时也给 环境造成了很大的污染， 其中大气污染和水污染严重威胁着人类的健康，己成为 困扰各国政府的难题。近年来，纳米催化剂在汽车尾气净化、降低温室效应气体 和光催化降解废水中的有机污染等方面取得了长足的进展。 （1） 汽车尾气净化 汽车尾气排放己成为城市区域空气污染的主要污染源， 目前减少汽车尾气污 染的有效手段是利用催化剂来促进尾气中的有害物质如 CO,NOX 等的转化。纳米 催化剂由于粒径小、分散度高,能够产生优良的尾气净化效果,近年来受到了广泛
金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想描述
的烷基化催化剂为三氯化铝或固体磷酸， 这类催化剂对设备具有很严重的腐烛性， 同时也在生产过程中产生大量有害废物； 如果使用无腐蚀性的改性纳米分子筛作 催化剂， 则解决了催化剂的腐烛性， 同时使目标产物的收率显著提高、 废物减少、 能耗降低，具有很高的市场潜力[9]。 2.3 能源领域的应用 21 世纪人类面临越来越严重的能源短缺问题，能源危机制衡着社会的发展， 并将长久的伴随和困扰着我们。 因此节能减排和可持续发展的概念已成为一种趋 势，而纳米催化剂的发展为这一目标的实现提供了可能。 例如，以纳米氧化铈和活性炭为主的纳米助燃催化剂(CeO2 /C)，经过特殊的 工艺处理，利用高度分散的氧化铈的活性，产生微爆效应，可以提高燃料的燃烧 效率，从而达到改良燃烧和减少排放的目的。研究发现，在同等热值的情况下， 加入 2%的纳米助燃催化剂,可以将燃油热值提高 10 ~ 15%，并减少一氧化碳、氮 氧化物和碳氢化合物等污染物的排放达 60%以上； 同时能有效清洁锅炉积碳， 提 升燃油锅炉的热效率。 此外，纳米催化技术在能源领域的另一个重要应用就是 CeO2 纳米催化剂表 面发生的水汽转移反应。NexTech 幵发了一类 Pt/CeO2 无机膜结构催化剂，发现 随着膜催化剂中CeO2 粒度的持续下降其反应活性迅速提高，至纳米尺度时性能 最佳。 与铜基催化剂相比， 该类催化剂在车用燃料电池领域显示出巨大的应用潜 力，且燃料电池的效率与成本明显降低。 3. 目标反应及副反应
2
金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想描述
的关注。 汽车尾气净化催化剂主要分为全贵金属型、稀土氧化物型和过渡金属型 等多种类型的纳米催化剂。 20 世纪 70 年代初，主要针对 CO 和碳氧化合物的排放实行控制，主要釆用 氧化性的纳米催化剂，其活性组分以铀和钮为主。到 20 世纪 70 年代末，随着 排放法规对NOX 的限制更加严格，双床式催化剂应运而生。20 世纪 90 年代初， 新一代的 Pt-Pd-Rh 三效催化剂因销、钮、铭之间存在协调作用，催化性能有了 明显的改善，成为尾气催化剂发展的一个重要方向[2]。 目前,稀土复合氧化物类汽车尾气消除催化剂广受关注，因为稀土氧化物具 有优良的 CO 氧化性能，同时还具有一定的NOX 还原活性;更重要的是，La、Ce 氧化物还具有较高的储氧能力，可以有效改善贫燃条件下的催化转化，使 CO 和 碳氢化合物进行更充分的深度氧化。而更新一代的纳米复合稀土氧化物催化剂， 将在汽车发动机气紅里发挥催化作用，使汽油在燃烧时就不产生 CO 和NOX 从而 无需进行尾气净化处理[3]。 （2） 降低温室效应 CO2 是绿色化学中最简单的可再生替代原料，以CO2 为原料生产高附加值的 化工产品不仅可以保护石油等日益枯竭的化石燃料， 还可以减少和控制主要温室 气体CO2 的排放总量，而纳米催化剂在CO2 的化学固定中大有作为。 Thampi 等在常温常压下用TiO2 − Ru RuOX 可将CO2 还原为甲烷[4]。 徐亦德等在纳米 ZnO 负载的稀土氧化物催化剂上进行CO2 选择氧化制乙稀 的反应时，乙烷的转化率可达到 60%，目标产物乙稀的选择性能够达到 90%以 上[5]。 魏俊梅等对比了由纳米载体ZrO2 − As和常规载体如γ − Al2 O3 或SiO2 负载的 Ni 催化剂在CO2 重整CH4 催化反应制合成气的性能，结果表明常规催化剂有明显 的失活现象， 而纳米催化剂具有良好的抗积碳能力，在连续反应 200 小时后活性 也没有下降[6]。 Dai 和 Au 使用纳米 Zn-Al-Mg-O 复合材料实现了CO2 和环氧化合物加成制备 环碳酸酯的反应， 在CO2 压力为 2.5 MPa， 120 ℃条件下反应 12 小时， 可得到 89% 产率的环丙稀碳酸酯，并且循环使用 5 次未见催化活性的降低[7]。 此外，纳米TiO2 光催化CO2 还原反应不仅能生成甲醇、甲酵、甲酸和甲烷等 一碳化合物，而且直接利用了太阳能，反应体系简便易控，因而受到了研究者的 重视。例如，Hiromi Yamashita 小组在 295 K 下对CO2 和H2 O的气态混合物进行光 催化反应研究，实验结果表明在纳米TiO2 的催化作用下，有甲烷和甲醇产生。而 更多研究者的研究发现， 通过负载金属 Cu 可以有效提高半导体纳米材料对CO2 的 光催化还原效率， 如在纳米催化剂 Cu/TiO2 的作用下,其生成甲烷的催化活性不高， 但能高效地催化甲醇的生成。
在这个反应体系里面， 苯环氧乙烷的生成反应是主反应，苯乙醛的生成反应是副 反应。 4. 反应机理类型 本催化反应体系是一个氧化反应机理类型。
5
金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想描述
笔者推测了在金属离子掺杂的纳米TiO2 催化作用下，以 TBHP 为氧化剂时， 苯乙炼氧化生成以苯甲酸和苯乙稀环氧为两种产物的反应机理,如上图所示。反 应过程中，催化剂中掺杂的金属离子首先将 TBHP 中的过氧键 0-0 活化，在催化 剂的表面生成含有金属-氧基复合物的活性物种；该活性物种可以将苯乙稀中的 C=C 双键活化，生成过渡态 1，过渡态 1 可直接形成一种氧化产物苯乙稀环氧， 并同时使金属离子回到催化前的初始价态进入下一次的催化循环；但是，如果此 时有另一分子的氧化剂 TBHP 参与反应进攻过渡态 1，则会生成过渡态 2，经过 电子转移后，过渡态 2 会发生 C-C 键的断裂，脱去一分子的甲酸，生成另一种 氧化产物苯甲醛。 5. 根据反应机理设计催化体系 催化反应： 向 配 有 一 磁 子 和 回 流 冷 凝 管 的 圆 底 烧 瓶 中 依 次 加 入 催 化 剂 M-Ti02 （M=Co-15）,苯乙烯，氧化剂 TBHP 和溶剂乙腈，将反应瓶浸入油浴中,在磁力 搅拌下回流。反应结束后，冷却至室温，离心分离出催化剂，取反应混合液用气 相色谱进行定性和定量分析。 使用过的催化剂经离心分离回收， 用丙酮洗漆后真 空干燥，进入下一次的循环使用。 二、 组分设计 1. 该反应体系的优缺点 二氧化钛是一种多晶型氧化物,共有三种不同的晶型:板钛矿相、锐钛矿相和 金红石相[11]。其中，锐钛矿相TiO2 既大量存在于自然界的矿石中，又可通过人工 方法制得，在常温下能够稳定存在,但在高温条件下将会发生相变，向金红石相 转化。从热力学稳定性方面来看，金红石相TiO2 是最稳定的，但它在自然界中的 含量较少，多数为人工制造，需要通过高温固相反应，经由无定形相一锐铁矿相
3
金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想描述
（3） 废水处理 随着工业发展和城市人口的增加， 全球许多城市的饮用水源都不同程度地受 到有机污染物的影响， 水体污染已成为现今社会最为重视的环境污染之一，水污 染治理和饮用水的预处理成为国内外学者研究的重中之重。 采用具有光分解活性 的纳米光催化剂，以分解废水中的 VOC 有机物是纳米催化技术应用潜力最大的 领域之一。 以太阳能化学转化和储存为主要背景的半导体光催化特性的研究始于 1917 年，但将半导体材料用于进行饮用水的深度处理和光催化降解水中有机污 染物的研究还是近十几年的事， 而釆用半导体纳米粒子作为光催化剂则是更新的 水处理技术。 与传统的化学方法相比较， 光催化降解有机污染物具有明显的优势， 由于光催化降解反应的速度较快，容易启动，因而特别适用于处理一些难降解的 有机物。同时，光催化反应体系在光的照射下会破坏有机物的分子结构，使其彻 底氧化成CO2 ，H2 O和无毒的无机小分子，可使被污染的水源达到脱色、去味、 去毒和除臭的效果，因而受到了广泛的关注。在水处理中，应用最为广泛的纳米 催化材料是 n 型半导体纳米材料，如TiCb，ZnO，CdS，WO3 。国内外的一些研 究报道表明， 半导体纳米粒子光催化氧化法对水中的经类、 齒代物、 表面活性剂、 含氮有机物和有机憐杀虫剂等均有良好的降解效果， 一般经过持续反应可达到完 全矿化。 同时大量研究表明， 半导体光催化氧化法具有氧化能力很强的突出特点， 对臭氧难以氧化的某些有机污染物，如三氯甲烧、四氯化碳、六氯苯等能有效地 加以光解， 所以对于难降解的有机污染物， 该方法显得更有意义。 其中， 纳米TiO2 是研究最多的光催化剂， 目前已知纳米TiO2 可以降解的有机污染物多达 300 余种。 TiO2 光催化剂具有良好的稳定性、价廉、安全无毒、矿源丰富并且这种催化剂对 水体中的有机污染物分解速度快、除净度高、无二次污染、易于控制，是一种具 有重要研究意义和潜在应用价值的光催化剂。 2.2 化工领域的应用 长期以来， 药用、 农用化学品等特殊的精细化学品的合成一直采用非催化的 有机合成反应。近年来，一些催化转化过程相继被报道，特别是一些采用纳米催 化剂的多相催化体系的有机合成过程，显示出独特的催化合成性能，引起了人们 的广泛关注。纳米催化剂可以从两个方面对精细化学品的合成有所贡献:一是提 供新的合成路线， 二是有助于副产物的除去或转化。在精细化工的工业生产过程 中采用纳米催化剂，可提高反应器的效率，改善产品结构，提高产品附加值和产 率等， 因此纳米催化技术必将是未来精细化工领域实现可持续发展的关键。 例如， 碳酸二甲酯是一种重要的甲基化试剂，可以代替硫酸二甲酯和氯甲烷等，但它的 传统合成方法需要使用光气作原料；如果使用纳米沸石作为环境友好的催化剂， 以甲醇和二氧化碳进行氧化羰基化反应，则避免了剧毒的原料光气的使用，并且 也彻底防止了意外事故的发生[8]。例如，在异丙苯的工业生产过程中，传统使用
金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想
金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想描述
wenku.baidu.com
一、 金属离子掺杂的TiO2 纳米催化剂设想描述 1. 反应体系的目的 作为纳米技术在多相催化领域内的应用而发展起来的新概念一纳米催化剂， 被国际上称作第四代催化剂。由于纳米催化材料具有比表面积大、表面能高、催 化剂表面活性位点多、 晶体内部扩散通道短等其它催化材料无法比拟的优势，使 得纳米催化剂在化学工业中大显身手。迄今为止,人们已经成功地设计合成了碳 纳米管、纳米金属(簇)、纳米金属氧化物、纳米沸石、纳米膜等催化材料，并且 这些纳米催化剂在许多化学反应中都显示出良好的催化性能。目前，如何开发出 更加绿色环保的纳米催化材料和拓展现有纳米催化剂的使用范围将会是未来研 究的重点方向。 而氧化反应是最早引起人类重视并得到广泛应用的一类重要反应。 在精细有 机化工生产中，通过氧化反应能够将化工原料转化成为醇、酮、醛、接酸、醌、 酚以及环氧化合物等一系列具有重要应用价值的化工产品。在氧化过程中，同一 种氧化剂能够使不同的官能团发生氧化， 而同一种官能团也会随着氧化剂的种类 和用量改变生成不同的氧化产物。 大多数有机物都可以在不同的反应体系中发生 氧化反应， 但被氧化的程度有很大差别， 因此选择性催化氧化是一项最具有挑战 性的难题[10]。 在过去的几十年里， 人们在改善和提高氧化反应效率及选择性方面 开展了大量的研究，并开发出多种多样的均相催化剂和多催化剂， 主要有金属有 机配合物杂多酸、离子液金属有机骨架化合物、分子筛、金属纳米粒子以及纳米 金属氧物等。本次设计金属离子掺杂的TiO2 纳米粒子作为非光催化剂应，用于苯 乙烯旳液相催化氧化反应中。 2. 应用价值 在进入充满生机与挑战的 21 世纪的今天，人类正面临着资源、能源和环境 等问题的严峻挑战，协调环境保护与可持续发展已刻不容缓。与此同时，以纳米 技术、 信息技术和生物技术为龙头的新技术的迅猛发展为解决这些问题提供了新 的手段和方法，并正在引发一场全新的产业革命。毫无疑问，作为 21 世纪三大 主导技术之一的纳米技术必将在这场革命中发挥至关重要的作用[1]。 2.1 环境领域的应用 化学工业的日益壮大,为人民的生活水平提高提供了物质保障，但同时也给 环境造成了很大的污染， 其中大气污染和水污染严重威胁着人类的健康，己成为 困扰各国政府的难题。近年来，纳米催化剂在汽车尾气净化、降低温室效应气体 和光催化降解废水中的有机污染等方面取得了长足的进展。 （1） 汽车尾气净化 汽车尾气排放己成为城市区域空气污染的主要污染源， 目前减少汽车尾气污 染的有效手段是利用催化剂来促进尾气中的有害物质如 CO,NOX 等的转化。纳米 催化剂由于粒径小、分散度高,能够产生优良的尾气净化效果,近年来受到了广泛