催化表面物理化學(xué)的模型體系研究

秦蘇（邵陽學(xué)院生物與化學(xué)工程系，湖南邵陽422000）

催化表面物理化學(xué)的模型體系研究

秦蘇（邵陽學(xué)院生物與化學(xué)工程系，湖南邵陽422000）

多相催化反應(yīng)體系催化劑的表面結(jié)構(gòu)、催化反應(yīng)機(jī)理、催化性能關(guān)系是催化表面物理化學(xué)主要研究的問題，從而理解原子分子水平，對催化劑的設(shè)計(jì)和改進(jìn)起到了指導(dǎo)性的作用，具有復(fù)雜性和不均一性的真實(shí)催化劑結(jié)構(gòu)無法將其與催化性能相連接，因此在進(jìn)行催化表面物理化學(xué)研究經(jīng)常用到的方法就是構(gòu)建一個(gè)均一的催化劑體系模型。

催化表面物理化學(xué)；催化反應(yīng)機(jī)理；模型體系；納米晶

前言

隨著能源和環(huán)境的逐漸惡化，使得可持續(xù)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)是非常巨大的，在迎接環(huán)境與能源挑戰(zhàn)時(shí)催化科學(xué)技術(shù)是非常重要的，研發(fā)的新催化反應(yīng)體系具有高度專一性是能否贏得這場挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。對相關(guān)催化反應(yīng)體系的基礎(chǔ)是否理解與新催化反應(yīng)體系能否有效的探索有著密切的聯(lián)系。

一、關(guān)于催化表面物理化學(xué)的模型體系研究的理念

催化劑的表面容易發(fā)生多相催化反應(yīng)，影響催化性能的主要因素是催化劑的表面組成和結(jié)構(gòu)（幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)）因此，表面化學(xué)與催化化學(xué)由于多相催化基礎(chǔ)研究的催生產(chǎn)生了交叉，也就是催化表面物理化學(xué)，催化劑的表面結(jié)構(gòu)、催化反應(yīng)體系、表面催化反應(yīng)機(jī)理、催化性能關(guān)系是這領(lǐng)域里主要研究的對象。在一般情況下固體納米粒子是多相催化反應(yīng)催化劑，決定其催化性能及電子結(jié)構(gòu)的主要因素是固體納米粒子。多組分固體納米粒子的相鄰組分會(huì)促進(jìn)協(xié)同催化作用的產(chǎn)生，同時(shí)催化性能，也會(huì)明顯受到多組分固體納米粒子界面結(jié)構(gòu)的影響。固體納米粒子的暴露晶面由其形貌所決定，從而對其表面幾何結(jié)構(gòu)也起到了決定性的作用。氧化物納米粒子不僅可以決定其表面組成，同時(shí)對其表面結(jié)構(gòu)也起著決定性的作用。因此決定其催化性能的主要因素就是固體納米粒子的暴露晶面和形貌。一方面，影響其分散度的固體納米粒子的的尺寸；另一方面，當(dāng)固體納米粒子小到一定程度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)宏觀量子尺寸效應(yīng)，在這時(shí)電子結(jié)構(gòu)會(huì)受到尺寸變化的影響，從而使得催化性能受到影響，

極其復(fù)雜的催化反應(yīng)體系，光是運(yùn)用物理化學(xué)對催化表面進(jìn)行研究就非常具有挑戰(zhàn)性。第一，由于固體催化劑是用傳統(tǒng)方法制備的固體納米粒子結(jié)構(gòu)的不均性和復(fù)雜性實(shí)驗(yàn)測得的催化劑活性和催化劑結(jié)構(gòu)進(jìn)行的關(guān)聯(lián)不是特別明確，阻礙了催化劑結(jié)構(gòu)之間建立有效關(guān)系；第二，手段比較靈敏的研究方式多開展催化表面物理學(xué)的研究是非常有利的，需要更重視的地方就是，要在一定的溫度和壓強(qiáng)下進(jìn)行多相催化反應(yīng)。無法將實(shí)驗(yàn)測得的催化劑結(jié)構(gòu)和催化劑活性進(jìn)行明確的關(guān)聯(lián)，使得催化劑結(jié)構(gòu)有效關(guān)系的建立受到了阻礙；其次，表面靈敏的研究手段有利于催化表面物理化學(xué)研究的開展，更加重要的是，進(jìn)行多相催化反應(yīng)多數(shù)情況都是在一定壓強(qiáng)和溫度下。

在過去的十幾年中，固體納米粒子尺寸和形貌均一是因?yàn)闊o機(jī)納米材料可控合成方法的迅速發(fā)展，控制合成過渡金屬氧化物和Au、Pd、Pt，結(jié)構(gòu)均一的的納米催化材料為研究催化表面物理化學(xué)時(shí)提供了新的資料。而且結(jié)構(gòu)均一的納米催化材料能夠?qū)Σ牧洗呋阅艿幕疽蛩厮a(chǎn)生的影響充分體現(xiàn)出來，與此同時(shí)在真是催化反應(yīng)的條件下能夠更好的開展對催化表面物理化學(xué)的研究。例如Au、Pt、Pd和過度金屬氧化物的控制合成，納米催化材料的結(jié)構(gòu)均一使得催化表面物理化學(xué)研究有了新的依據(jù)，而且影響材料催化性能的基本因素在結(jié)構(gòu)均一的納米催化材料中能夠充分體現(xiàn)出來，同時(shí)在真實(shí)催化反應(yīng)條件下將催化表面物理化學(xué)的研究進(jìn)行開展。模型催化劑的材料為結(jié)構(gòu)均一的納米催化材料時(shí)，能夠?qū)⒋呋砻嫖锢砘瘜W(xué)模型體系中所存在的“材料鴻溝”和“壓力鴻溝”得到克服，開展催化表面物理化學(xué)研究時(shí)，可以盡可能的以接近真實(shí)的催化劑為前提條件，目前結(jié)構(gòu)均一的納米催化材料體系還比較少見，并且需要引入表面活性劑進(jìn)行金屬納米材料的合成，金屬納米材料表面結(jié)構(gòu)由于表面活性劑的摻入會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響是必須要考慮的問題。

二、近期通過研究所得出的進(jìn)展

在20世紀(jì)后期國外就有報(bào)道稱在溫室里能夠通過金納米粒子催化CO氧化反應(yīng)，與此同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了密切相關(guān)的金納米的尺寸和催化劑催化活性，報(bào)道的出現(xiàn)顛覆了之前“金是催化惰性的”這一觀點(diǎn)，使得更多的人投身到對負(fù)載型金納米粒子催化體系的研究，以負(fù)載型金納米粒子作為催化劑進(jìn)行新的催化反應(yīng)，從丙烯環(huán)氧化反應(yīng)到CO低溫氧化反應(yīng)、加氫反應(yīng)、以及氧化反應(yīng)。隨著尺寸的不斷降低，隨之降低的還有暴露在金納米表面的金原子配位飽和的程度，增強(qiáng)了吸附性和催化性，與此同時(shí)還有金原子不斷增加的配位不飽和和密度，尺寸的大小對金納米粒子催化活性產(chǎn)生了非常重要的影響。金納米粒子的尺寸同時(shí)也影響到其電子結(jié)構(gòu)，隨著尺寸的不斷降低，金納米粒逐漸位移到高結(jié)合能方向的路上去。

三、結(jié)語

多相催化表面物理化學(xué)研究是是一份及其具有挑戰(zhàn)性的研究工作，但對于研發(fā)新催化反應(yīng)體系是非常關(guān)鍵的，我們根據(jù)模型催化劑的概念，將單晶薄膜的拓展到納米晶的模型催化劑，又簡單到復(fù)雜，構(gòu)筑不同層次的模型催化劑，使得催化表面物理化學(xué)研究進(jìn)行系統(tǒng)的開展。

［1］許令順.小分子在模型催化劑表面的吸附與反應(yīng)［J］.2012年3期：77-78.

［2］李勇，申文杰.多元醇法合成形貌可控的鈷鎳納米材料［J］.化學(xué)反應(yīng)工程與工藝.2013（5）：201-203.