淺談綠色催化劑與綠色化學(xué)

牛旺++冀慧杰++許海州

摘 要：綠色化學(xué)是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展趨勢和前沿技術(shù)。生產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)品的原料、催化劑、溶劑的綠色化， 以及生物技術(shù)等清潔生產(chǎn)方法的開發(fā)和應(yīng)用， 對維護(hù)人類健康， 保護(hù)生態(tài)環(huán)境， 實(shí)現(xiàn)化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：綠色催化劑；綠色化學(xué)

一、催化劑與綠色催化劑

催化劑是一種物質(zhì)的特定稱呼，是指在化學(xué)反應(yīng)中能改變反應(yīng)速率，但本身的化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量在反應(yīng)前后都沒有發(fā)生變化的物質(zhì)。催化劑會誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生改變，而使化學(xué)反應(yīng)變快或減慢或者在較低的溫度環(huán)境下進(jìn)行。催化劑在工業(yè)上也稱為觸媒。

綠色催化劑是指在催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程中，不產(chǎn)生環(huán)境污染，甚至是“零排放”，從而能夠?qū)崿F(xiàn)清潔生產(chǎn)的這樣一類催化劑。

二、綠色化學(xué)

綠色化學(xué)又稱環(huán)境無害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)。近年來，綠色化學(xué)的研究工作主要圍繞化學(xué)反應(yīng)、原料、催化劑、溶劑和產(chǎn)品的綠色化展開的。綠色化學(xué)代表著二十一世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的主流方向，而綠色催化劑將是綠色化學(xué)的重要組成部分。

綠色化學(xué)對人類社會的發(fā)展和進(jìn)步有著深遠(yuǎn)的影響，而綠色催化技術(shù)在綠色化學(xué)發(fā)展中作用十分重要。因?yàn)椋?0%以上的傳統(tǒng)化工過程都與催化作用有關(guān)。近年來隨著人類對能源、環(huán)境和健康等問題的普遍關(guān)注，綠色催化劑的作用和地位獲得了新的評價(jià)。

三、綠色催化劑的種類

（一）分子篩催化劑

分子篩催化劑，又稱沸石分子篩催化劑，系指以分子篩為催化劑活性組分或主要活性組分之一的催化劑。分子篩具有離子交換性能、均一的分子大小的孔道、酸催化活性，并有良好的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性，可制成對許多反應(yīng)有高活性、高選擇性的催化劑。

（二）雜多酸催化劑

雜多酸是一類由中心原子（俗稱雜原子）和配位原子（多原子）按一定的空間結(jié)構(gòu)、借助氧原子橋聯(lián)成的含氧多元酸。是強(qiáng)度均勻的質(zhì)子酸，并有氧化還原能力，通過改變組成，可調(diào)節(jié)酸強(qiáng)度和氧化還原性能。水分存在時(shí)形成的擬液相也能影響其酸性和氧化還原能力。雜多酸有固體和液體兩種形態(tài)。

（三）固體超強(qiáng)酸催化劑

超強(qiáng)酸是比100%硫酸還強(qiáng)的酸，其HO<11.93，而固體超強(qiáng)酸是一類固體超強(qiáng)酸的總稱。它主要又以下幾類：（1）負(fù)載型固體超強(qiáng)酸：這是以金屬氧化物作載體將液體超強(qiáng)酸負(fù)載起來的一類超強(qiáng)酸HF-SbF3-AlF3/固體多孔材料/SbF3-Pt/石墨，SbF3-Hf/F-Al2O3，SbF3-FSO3H/石墨。（2）混合無機(jī)鹽類：AlCl3-CaCl2，AlCl3-Ti（SO4）3。（3）氟代磺酸離子交換樹脂（Nafion-H）。（4）硫酸根離子酸性金屬氧化物：SO42-/ZrO2，SO42-/TiO2，SO42-/Fe2O3等。（5）負(fù)載金屬氧化物的固體超強(qiáng)酸如WO3/ZnO2，MoO3、ZrO2等。這些固體超強(qiáng)酸其酸度高于100%硫酸的103-104倍，它們易于制備和保存，不腐蝕反應(yīng)器，在500℃時(shí)仍具有催化活性，且能反復(fù)使用。其中以（3）（4）（5）三種不含鹵原子，不污染環(huán)境，可作優(yōu)良的質(zhì)子催化劑。

（四）光催化劑

這是一類借助光的激發(fā)而進(jìn)行催化反應(yīng)的催化劑，如ZnO-CuO-H2O2，在紫外光作用下，可對染料廢水進(jìn)行催化脫色，脫色率近100%。TiO2光催化劑光解二氯乙酸、光的光解制氫、CO2的光催化固碳都是為未來解決能源、人工光合作用的主要催化反應(yīng)。

（五）電極催化劑

在這類電化學(xué)反應(yīng)中，電極既是電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物場所 也是供應(yīng)和接收電子的場所，故兼有催化和促進(jìn)電子遷移的雙重功能。通過外部電路調(diào)控電極電位，可對反應(yīng)條件、反應(yīng)速率進(jìn)行調(diào)控。

（六）酶催化劑

酶催化劑可以說時(shí)一種真正的綠色催化劑，它是一種能加速特殊反應(yīng)的生物分子，有近乎專一的催化性能。

（七）膜催化劑

膜催化劑是將催化劑制成膜反應(yīng)器，反應(yīng)物可選擇性的穿越催化膜并發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物也可以選擇性的穿過膜而離開反應(yīng)區(qū)域，從而有效地調(diào)節(jié)反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度，這也是將膜技術(shù)和催化綜合的一種催化工藝。

四、綠色催化劑在綠色化學(xué)上的應(yīng)用

（一）分子篩催化劑

分子篩熱穩(wěn)定性好，在900K時(shí)仍存在催化活性，因而用它制成蜂窩狀陶瓷，用于汽車尾氣的催化劑轉(zhuǎn)化的載體。另外，分子篩催化裂化在石油化學(xué)工業(yè)中已大量使用。催化裂化分子篩催化劑一般是稀土元素或高價(jià)金屬元素取代鈉元素的Y型分子篩。與普通硅鋁催化劑相比，具有活性高，熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可在較緩和條件下進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)允許在630～680℃的高溫下再生以更好地恢復(fù)活性。此外，它抗中毒能力強(qiáng)，能加工某些含重金屬較多的劣質(zhì)原料。

（二）雜多酸催化劑

作為酸催化劑，其活性中心既存在于“表相”，也存在于“體相”。雜多酸有類似于濃液的“擬液相”，這種特性使其具有很高的催化活性，既可以表面發(fā)生催化反應(yīng)，也可以在液相中發(fā)生催化反應(yīng)，雜多酸如前所述既是氧化催化劑，還是光電催化劑。十二鎢磷酸，用于催化丙烯水合制異丙醇，轉(zhuǎn)化率中等，選擇性很高，是成功應(yīng)用的典范。

雜多酸具有的可調(diào)控酸性，它取代HF、硫酸、磷酸，以固體形式進(jìn)行多相催化反應(yīng)，用雜多酸做催化劑可提高反應(yīng)的回收率。與沸石分子篩催化劑類似，它具有不腐蝕設(shè)備、資源利用充分、不污染環(huán)境、工藝簡便等優(yōu)點(diǎn)。雜多酸又因其兼具氧化、光電催化等功能，在化工生產(chǎn)尤其是石油化工生產(chǎn)中被廣泛采用。

（三）固體超強(qiáng)酸催化劑

固體超強(qiáng)酸在丙醇水合制異丙醇和異丙醚，甲醇和異丙烯制甲基叔丁基醚、醇酸酯化、烴的硝化、氧化氯代烴的還原等反應(yīng)中都體現(xiàn)出優(yōu)良的催化性能。

五、結(jié)語

雖然綠色化工催化劑理論發(fā)展逐漸得到完善，但大多數(shù)催化劑仍停留在實(shí)驗(yàn)階段，催化劑性能不穩(wěn)定，制備過程復(fù)雜，性價(jià)比低是制約其工業(yè)化應(yīng)用的主要原因，但從長遠(yuǎn)角度考慮，采用綠色化工催化劑是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)零污染的一個(gè)必然趨勢。