纳米催化剂综述

纳米催化剂综述

所谓纳米技术，是指在0.1~100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术

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。

纳米催化剂性质

⒈表面效应

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10nm减小到1nm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N Cs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。

⒉体积效应

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。

⒊量子尺寸效应

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，应用于石油、化工、能源、涂料、生物以及环境保护等许多领域。

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。目前，纳米技术的研究主要向两个方向进行：一是通过新技术减少目前使用的材料如金属氧化物的用量；二是进行新材料的开发

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lnm-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。

纳米催化剂在能源化学方面的一些应用

（1）燃煤纳米催化剂

我国是一个产煤大国，同时也是一个用煤大国，建国以来，煤炭在我国一次能源消费构成中占75%左右，预计到2050年这一比例仍将高达50%以上。在一个较长的时期内，煤炭仍将是我国能源中最主要的角色。建设资源节约型，环境友

好型社会是我国现阶段的一项长期的任务，因此合理利用煤炭资源，提高煤炭的燃烧效率，不仅具有较高的经济效益，同时也具有重大的社会意义。研究对高效燃烧、低负荷稳燃、低污染、防止结渣与高温腐蚀这五个方面的问题都有益的燃烧方式,具有十分重要的意义。因此如何提高资源利用率、减轻环境污染，除尽力改造燃烧装置及工艺参数外，还需更有效的燃煤催化产品。燃煤纳米催化剂，是利用生产纳米粉体材料的经验，运用纳米技术开发出来的一种全新产品；是纳米材料成功应用到产品中的典范，是高新技术服务于传统产业的又一大成果。该产品既节能又环保，使用工艺方法简单，节能、环保效果优良

燃煤纳米催化剂突破了以往燃煤催化助燃所使用的手段，利用纳米微粒的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等特性，运用纳米表面处理技术、纳米分散技术、纳米结构组装技术，由纳米结构组合产生新的效应。添加燃煤纳米催化剂的煤炭，在燃烧过程中，由于多种纳米微粒的量子尺寸效应、表面效应等特性的多种协同作用，促使燃烧过程的活化能降低、大分子有机物裂解加速，有效富集氧，使其快速而又充分的燃烧，降低了废气排放量，从而达到节煤、提高热效率的显著效果；同时，由于催化产生的通道可使二氧化硫与灰分中的RO、R2O相在原位快速反应，形成稳定的硫酸盐而被固化，有效的降低了二氧化硫的排放;因其着火点的降低和用风量的大幅度降低，氮氧化物在燃烧过程中的生成量也明显减少

（2）氢能源与新兴纳米储氢材料

氢能源是一种清洁的可再生能源。由于氢能源与新兴纳米储氢材料氢能源与新兴纳米储氢材料：传统的储氢材料和储氢技术达不到氢燃料电池电动车实用要求，储氢问题已成为氢能源应用中最急需解决的关键问题。对于好的储氢材料，储氢的可逆性和稳定性是至关重要的。物理和化学方法储氢，需昂贵的设备。而碳纳米材料可以提供一种有效而清洁的储氢方式。这种材料如果用于燃料电池汽车中的储氢材料，可以有效避免空气污染或排放温室气体。人们很早就知道，某些固体材料（如金属氢化物等）在室温条件下可以储存少量的氢（约为自重的1%-2%）。有些金属氢化物可储存更多的氢（为其自重的5%-7%）但所需的储氢温度极高，250℃甚至更高。然而，碳纳米管和纳米纤维即使在室温下也能很好的吸收氢，每个颗粒都是一个微小的吸氢“海绵”。这种材料就有广阔的应用前景，可用来制造燃料电池汽车中的氢容器。添加燃料时只需将汽车驶入加油站，将空的氢容器注满氢即可。美国能源部的计算结果表明，碳材料只要储存其自重6.5%的氢，就可使燃料电池汽车具有实用价值（设定两个加油站间的距离是500公里，即310英里）。我国科学家也正在积极系统地研究纳米碳管的储氢、吸波和场发射特性，力争使碳纳米管材料和器件实用化。

（3）空气中硫氧化物的净化

二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物是影响人类健康的有害气体，而这些有害气体一般都是燃料不充分燃烧产生的。如果在煤炭燃料燃烧的同时加入纳米级催化剂不仅可以使煤充分燃烧，不产生一氧化硫气体，提高能源利用率，而且会使硫转化成固体的硫化物，防止产生二氧化硫进入空气中。经纳米材料催化的燃料中硫的含量小于0．01％，不仅节约了能源，提高能源的综合利用率，也减少了因为能源消耗所带来的环境污染问题，而且使废气等有害物质再利用成为可能。煤炭产业也可以获得可观经济效益

我们应该放眼世界，目前美国在纳米合成、纳米装置精密加工、纳米生物技术、纳米基础理论等多方面处于世界领先地位。欧洲在涂层和新仪器应用方面处于世界领先地位。日本政府把纳米技术列入国家科技发展战略4大重点领域，加大预算投入，制定了宏伟而严密的“纳米技术发展计划”。日本的各个大学、研究机构和企业界也纷纷以各种方式投入到纳米技术开发大潮中来。

纳米技术目前从整体上看虽然仍然处于实验研究和小规模生产阶段，但从历史的角度看：上世纪70年代重视微米科技的国家如今都已成为发达国家。当今重视发展纳米技术的国家很可能在21世纪成为先进国家。纳米技术对我们既是