納米催化劑的應用研究進展

刁潤麗，王花麗

河南質(zhì)量工程職業(yè)學院，河南平頂山 467001

在21世紀，納米技術與生物技術和信息技術一起被稱為偉大的三項發(fā)明。納米技術是主要研究在0.1～100 nm結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，用單個的分子、原子來制備產(chǎn)物的技術[1-3]。納米材料是介于宏觀物體和原子簇之間的一類超細材料，具有小尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應等一些特殊性能。基于此，納米材料吸引著各領域研究者們的目光，而納米技術的發(fā)展又為材料、化學、物理、仿生學及生物等學科提供了新的發(fā)展空間[4-5]。

納米催化劑已被列為第4代催化劑，納米催化技術是當前研究的熱點，石油化工、物理化學、化學合成等多領域都對納米催化劑進行了深入的研究[6]。納米催化劑以納米微粒為主體，粒徑一般在1～100 nm之間，比表面積大、表面活性高，因此與傳統(tǒng)催化劑相比，它的選擇性更大、催化活性更高，在催化劑領域彰顯了巨大的發(fā)展前景，在化學合成、石油化工、環(huán)保、生物和能源等領域取得了非常好的收益[7]。

1 納米催化劑的性質(zhì)

1.1 化學反應性質(zhì)

納米催化劑的粒徑為納米級，性質(zhì)非?；顫?，有很強的化學反應性質(zhì)。如在空氣中納米級的金屬催化劑可以發(fā)生氧化反應，劇烈時伴隨有發(fā)光燃燒現(xiàn)象；45 nm的TiN晶粒在空氣中受熱可燃燒得TiO2晶粒[8]。

1.2 催化性質(zhì)

納米催化劑粒子比表面積大、表面原子配位不足等，使其表面的活性中心增多，從而使納米粒子具有催化活性。納米粒子催化劑沒有孔隙，可直接加入反應體系，不必外加載體。另外，納米粒子催化劑的表面比較粗糙，可以擴大反應面積。

1.3 光催化性質(zhì)

納米催化劑可以吸收光能，使其氧化還原能力增強，從而有利于催化反應。粒徑越小，光催化性越強，反應速度越快。

此外，納米催化劑材料還具有高比熱、高塑性、高硬度、高導電率和高磁化率等優(yōu)異的物理化學性能。隨著更進一步的研究，相信納米催化劑還會有更多優(yōu)異的性能呈現(xiàn)出來[9]。

2 納米催化劑的應用

2.1 催化反應

納米催化劑由于催化活性位多、表面積大，具有良好的穩(wěn)定性和選擇性，比傳統(tǒng)催化劑具有更多優(yōu)勢，在加氫催化、光催化和電催化等領域獲得了廣泛的應用[10]。

2.1.1 加氫催化反應

左東華等首先制得納米鈀/Al2O3，通過氫電弧等離子體法，然后加入丁二烯加氫反應中，反應溫度控制在40～80 ℃，納米鈀/Al2O3表現(xiàn)出良好的選擇性和加氫活性，比齊魯石化的化學浸漬鈀/Al2O3性能優(yōu)越很多[11]。

只有還原劑時，具有化學惰性的芳香族硝基化合物不易反應，因此還要添加催化劑。徐興良等[12]選用具有高選擇性和催化活性的金屬納米復合催化劑，在氫氣的作用下還原有毒的芳香族硝基化合物，得到胺基類化合物，無毒而且可以作為生物醫(yī)藥、精細化工的中間體。

2.1.2 光催化反應

對于傳統(tǒng)的空氣凈化技術來說，污染物的處理一直是一個難題。新的光催化空氣凈化技術，具有二次污染小、條件溫和、運行成本低等優(yōu)點，催化劑采用穩(wěn)定性好、耐磨和低廉易得的納米TiO2，因此該技術在空氣凈化方面具有強大的優(yōu)勢。光催化空氣凈化的機理為:

其中：MC為污染物，M1、M2為無害產(chǎn)物。OH是主要的氧化劑，它可以將空氣中的部分無機污染物和絕大多數(shù)的有機污染物降解為H2O、CO2和HNO3等。研究顯示，納米TiO2涂料對甲醛、NH3和甲苯等主要室內(nèi)氣體污染物可達到90%以上的降解率[13]。

2.1.3 電催化反應

目前的電催化研究是采用電化學循環(huán)伏安法，在導電聚合物薄膜中分散加入金屬超微粒子進行的。將過渡金屬微粒鈀、鉑、錫、釕等嵌入聚(3-甲基噻吩)、聚苯胺、聚硫堇等導電聚合物中，對甲酸、甲醇等有機小分子進行電催化氧化。由于聚合物與金屬微粒的協(xié)同作用及微粒本身的高分散性，使金屬微粒在反應中具有良好的電催化活性。

還有一種納米光電催化體系，稱為傳感器或納米電極。例如測定血糖的一種生物傳感器葡萄糖氧化酶(GOD)，在其中加入親水的納米金或憎水的納米二氧化硅，由于GOD顆粒在這些納米顆粒的作用下排列整齊，因而響應電流大幅增加，顆粒尺寸越小效果越明顯。

2.2 化學電源

在化學電源方面，主要是采用納米輕燒結(jié)構(gòu)體作各種電池的電極，如燃料電池、化學電池、光化學電池中用納米Ag，Ni的輕燒結(jié)體作電極，可以增大有效接觸面積，使反應的表面積增大，從而使電池效率提高，同時還能減輕重量，使電池更易于小型化[14]。在化學電池中，納米銀和鎳的輕燒結(jié)體作為電極已經(jīng)實現(xiàn)了應用。在鋰電池和光化學電池中采用納米銀、鎳、TiO2燒結(jié)體作電極的研究也在積極進行中。PRABHURUM等以VulcanXC-72碳為基底制得納米Pt催化劑，在燃料電池中作催化劑，效果非常好[15]。

2.3 環(huán)境保護

經(jīng)濟發(fā)展的同時，水污染、大氣污染日益嚴重，環(huán)境不斷惡化。納米催化劑也逐漸應用于環(huán)保領域，改善著生態(tài)環(huán)境。韓巧鳳等首先通過溶膠-凝膠法制得平均粒徑為50 nm的復合稀土氧化物催化劑，然后進行吸收尾氣應用，結(jié)果顯示NOx的轉(zhuǎn)化率超過75%，HC和CO的轉(zhuǎn)化率超過90%[16]。納米的鎳、鐵與γ-Al2O3的混合輕燒結(jié)體也可以用作催化劑凈化汽車尾氣。納米TiO2具有優(yōu)異的光催化性能，能對廢水中的鹵代芳烴、鹵代脂肪烴、酚類及農(nóng)藥等污染物進行有效分解。目前已知納米TiO2可以對80多種有毒化合物進行處理，這其中包括有毒溶劑、照相工業(yè)和紡織印染工業(yè)的污染物、木材防腐劑、農(nóng)藥、染料及燃料油等用生物降解法難以處理的污染物。納米催化劑還可以殺菌。納米氧化鋅的定量殺菌性能研究顯示，當濃度為1%時，在5 min內(nèi)，納米氧化鋅能殺死99.93%的大腸桿菌和98.86%的金黃色葡萄球菌。

2.4 工業(yè)生產(chǎn)

催化劑應用于工業(yè)生產(chǎn)中，不僅要有高的催化性，關鍵是要有好的經(jīng)濟效益。目前納米催化劑在工業(yè)生產(chǎn)中應用的越來越多，如在石油化工、電池工業(yè)中，加入納米催化劑可以加速反應，提高效率，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)率和附加值都可以得到提高[17]。例如可以提高汽油生產(chǎn)效率，同時減輕對環(huán)境的污染，還可生產(chǎn)高辛烷值的汽油。在二氧化碳氧化乙烷制乙烯的過程中加入納米稀土氧化物作催化劑，反應的選擇性可提高到90%。在石油化工添加劑中加入納米催化劑，可以用作助燃劑、潤滑添加劑等。在電池工業(yè)中添加納米催化劑，可以增大比表面積，提高活性和穩(wěn)定性，且不易發(fā)生中毒反應等。例如通過加入納米Pt催化劑來增大比表面積，從而提高電化學反應速率，應用于燃料電池中，取得了非常好的效果。

2.5 含能材料

含能材料是一類儲存有大量能量并能將其釋放出來的材料，主要包括炸藥、火藥、推進劑、點火藥、發(fā)射藥等，在各領域都有廣泛的應用[18]。納米催化劑具有優(yōu)異的催化性能，使含能材料能夠更充分、更徹底地釋放能量，提高了能量的使用效能。納米催化劑可以對固體推進劑、火炸藥的燃燒性能進行調(diào)節(jié)，它使固體推進劑與黏合劑和氧化劑之間的接觸面積增大，從而使固體推進劑的燃燒速度明顯增大[19]。納米催化劑還可以使固體推進劑的壓力指數(shù)降低，能量性能提高，催化劑的用量明顯減少，從而減輕重量；還可以使導彈、火箭實現(xiàn)精確制導和遠程打擊，從而使導彈的綜合使用性能得到提升等。

3 展望

納米催化劑作為一種新型的催化劑，由于特殊的納米結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)異的催化性能，成為關注和研究的熱點，在諸多領域具有廣泛的應用。但實際過程中還有一些問題需要解決。

1)納米材料成本較高，在實際過程中應考慮盡量減少其用量或找到新的物質(zhì)替代，一方面以降低成本，另一方面又保證催化效率。

2)納米催化劑的種類及制備技術很多，但大多限于實驗室和小規(guī)模生產(chǎn)階段，未來應盡快解決技術難題，擴大生產(chǎn)規(guī)模，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

3)納米催化劑的合成機理目前研究的還不是很透徹，還有很多問題沒有解決，需在理論上進行深入探索和研究，弄清楚其合成機理，從根本上解決實際應用中的問題。

4)系統(tǒng)的綜合各學科的研究體系還沒有完全建立，未來需要各學科繼續(xù)緊密聯(lián)系、加強合作，以更好地解決交叉學科的納米技術問題，促進各學科共同發(fā)展進步。