纳米催化剂的研究进展
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纳米催化剂的研究进展
【摘要】：纳米材料催化剂具有独特的晶体结构及表面特性。文章简要介绍了纳米催化剂的特性，对纳米催化剂的制备方法及其类型进行了综述。对纳米催化剂目前存在的问题进行了分析，并对其应用前景进行了展望。
【关键词】：纳米；催化剂；制备；进展
近年来，纳米科学与技术的发展已广泛地渗透到催化研究领域，其中最典型的实例就是纳米催化剂的出现及与其相关研究的蓬勃发展。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。
1. 纳米催化剂性质.
1.1 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 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 等认为纳米催化剂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。
1.2 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。
1.3 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[1] 。
2. 纳米催化剂制备方法
目前制备纳米微粒的方法很多,无论采用哪一种方法, 制备的纳米粒子必须达到如下要求:
a.表面光洁; b.粒子形状、粒径及粒度分布可控; c.粒子不易团聚; d.易于收集;
e.产出率高。
制备纳米催化剂的常用方法有以下几种。
2.1 气相法
气相法有: 气体冷凝法、活性氢 熔融金属反应法、溅射法、混合等离子法、化学气相沉积法等。其中化学气相沉积技术(CVD)是一种较好的化学方法,它以气体为原料,在气相中通过化学反应形成物质的基本离子，然后经过成核和生长两个阶段合成纳米材料。该方法用途较广,制成的纳米粒子纯度高、粒度分布均匀。
2.2 液相化学合成法
液相化学合成法常用的有:水热法、沉淀法、溶胶-凝胶法、离子交换过程、喷雾法、溶剂挥发分解法、微乳液法等等。这类方法可以选择一种或多种合适的可溶性金属盐类,计量配制溶液,使各种成份在溶液中以离子或分子的形式均匀分散,再通过合适的沉淀剂或采用蒸发、升华、水解等操作,使金属离子均匀沉淀或结晶出来,最后将沉淀或结晶产物进行脱水或加热分解制得纳米材料。这类方法简单,操作方便,条件温和,产率高;同时,可根据需要添加合适成份,精确控制化学组成,设计和组装产品的结构,不仅可制备单一成分的纳米材料,而且还可合成多组份的复合纳米材料。但是,制成的纳米材料含有杂质,易团聚,粒度不均匀等[2]。
3. 纳米催化剂类型
3.1 纳米金属粒子催化剂
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10%(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[2]。
4. 存在的问题及应用前景
纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学,在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景,纳米材料的应用已经涉及到化工各个领域。纳米催化剂的研究虽然取得了一些成果,仍然存在许多问题,需要进一步解决，即：现有的制备技术还不够成熟,已取得的成果还停留在实验室和小规模生产阶段,对生产规模扩大时涉及到的工程技术问题认识不够；能够工业化生产纳米催化剂的设备有待进一步研究和改进,以提高产量并降低粉末的成本；纳米催化剂的性能稳定控制技术尚未掌握,粉末在空气中极易被氧化,吸湿和团聚,性能很不稳定,给纳米催化剂的工业化应用带来了障碍,并且降低了其使用性能；纳米催化剂的应用范围还比较小,不能满足现代合成化学的需要；许多使用普通催化剂的化学工业污染严重,实施绿色化学,倡导绿色合成,纳米催化剂的应用研究显得特别重要。因此，改进纳米催化剂制备技术是最为基础、关键的环节。预计采用两种甚至两种以上制备技术进行耦合将成为一种新趋势。
在催化剂材料开发方面,以高分子为载体的负载型纳米催化剂的研究有可能成为开发热点,这是因为：① 高分子表面化学环境和结构的相对可控性有利于制备高分散度和比表面积很大的纳米催化剂颗粒；② 高分子链的隔离保护作用及纳米颗粒与高分子载体间的相互作用有利于避免纳米颗粒的脱落和失活；③ 高分子与金属纳米颗粒间以配位键相结合,使得金属纳米颗粒寿命延长,易回收；④
高分子可以对催化剂的活性中心进行修饰,从而影响其催化性能,即借助独特的高分子效应使催化剂具有较高的催化活性和特殊的选择性。另外,纳米薄膜催化剂、纳米气相催化剂、纳米催化剂回收及其毒副作用等也都有可能成为今后的重要发展方向。目前的当务之急是应当加强对环保用新型纳米催化剂的研究与开发,加快对环境污染的防治,尽快为社会的可持续发展提供化学保障[1-3]。
参考文献
[1] 李敏, 崔屾. 纳米催化剂研究进展，材料导报，2006（s1）：8-12.
[2] 孙显凤. 纳米催化剂的制备和最新应用进展，黑龙江科技信息，2007(17)：34.
[3] 刘化章, 郑华均. 纳米催化剂的制备及应用的研究进展，浙江化工，2003（02）：5-8.
