納米催化劑研發(fā)活躍前景誘人

　　納米粒子獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)及表面特性，使其催化活性和選擇性大大優(yōu)于傳統(tǒng)催化劑，成為富有活力的新興研究領(lǐng)域。國(guó)際上將納米粒子催化劑稱為第四代催化劑，可見其有著廣闊的發(fā)展前景。目前國(guó)內(nèi)外納米催化劑的制備和應(yīng)用已取得不少成果，并逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。在中國(guó)化工學(xué)會(huì)年會(huì)納米材料制備與應(yīng)用論壇上，納米催化劑在加氫、氧化、還原、聚合、電化學(xué)、能源等方面的應(yīng)用研發(fā)非?；钴S。
 
　　合成氣甲烷化制天然氣 甲烷化工藝將煤制合成氣在高溫高壓和催化劑作用下轉(zhuǎn)化為天然氣。在該工藝過(guò)程中，積碳和燒結(jié)成為催化劑活性降低的兩個(gè)主要因素。
 
　　成熟的工業(yè)化甲烷化技術(shù)普遍采用固定床甲烷化反應(yīng)器，如何有效控制反應(yīng)區(qū)域的溫度是甲烷化工藝難點(diǎn)之一。與固定床反應(yīng)器比較，流化床反應(yīng)器特別適合應(yīng)用于強(qiáng)放熱的甲烷化反應(yīng)，可有效防止催化劑的積碳和燒結(jié)。但催化劑磨損嚴(yán)重制約了其工業(yè)化進(jìn)展。中科院過(guò)程工程研究所的科研人員通過(guò)催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備了易流化、高分散、高催化活性和高穩(wěn)定性的甲烷化催化劑，可直接用于流化床反應(yīng)器體系，為流化床甲烷化工藝發(fā)展提供了適用的催化劑。
 
　　甘油催化氧化制DHA 由甘油選擇性催化氧化制1，3-二羥基丙酮（DHA）是廣受關(guān)注的綠色化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，采用貴金屬鉑可以在非堿性條件下有效催化甘油的伯位羥基氧化。此前大量研究表明，摻氮碳納米管（NCNTs）是一種優(yōu)良的催化劑載體，可提高鉑催化劑分散度，而Bi作為一種重要的助劑則可促進(jìn)甘油的仲位羥基氧化，顯著提高DHA的選擇性。但由于對(duì)Bi的作用機(jī)理目前仍不清楚，阻礙了催化劑的設(shè)計(jì)。
 
　　華南理工大學(xué)針對(duì)以上問(wèn)題展開研究，用Bi對(duì)鉑粒子的表面進(jìn)行修飾，通過(guò)Pt-Bi催化劑與反應(yīng)物之間的螯合作用，以及Bi作為吸附原子在鉑顆粒表面形成的結(jié)構(gòu)位阻效應(yīng)，顯著提升了DHA的選擇性。這項(xiàng)研究可以指導(dǎo)高性能甘油選擇性氧化催化劑的開發(fā)設(shè)計(jì)。
 
　　甲醇催化制芳烴 隨著甲醇來(lái)源的豐富，甲醇催化制備芳烴工藝（MTA）過(guò)程越來(lái)越受到關(guān)注。此前曾有科研人員采用離子交換法分別將Zn2+、Ga2+、Ag+引入ZSM-5分子篩，將其用于甲醇催化轉(zhuǎn)化制芳烴反應(yīng)。
 
　　分子篩催化劑的擇形性是主要特征和關(guān)鍵，如果分子篩孔口太小以至于苯環(huán)無(wú)法通過(guò)，芳烴就不能從分子篩籠中脫附出來(lái)，意味著產(chǎn)物主要是烷烴和烯烴；如果分子篩的孔徑足夠大，那么產(chǎn)物中就會(huì)存在許多大分子芳烴。上海交通大學(xué)通過(guò)對(duì)制備溫度和時(shí)間以及模板劑的跳變，開發(fā)出形貌可控且活性高、穩(wěn)定性好的甲醇催化制芳烴分子篩催化劑。通過(guò)對(duì)不同催化劑進(jìn)行考評(píng)后他們發(fā)現(xiàn)，分子篩催化劑在負(fù)載ZnO后，芳烴的選擇性明顯提高，這為高選擇性催化劑的研發(fā)指明了方向。
 
　　電催化分解水制氫 氫氣被視為最理想的能源載體。與傳統(tǒng)化石燃料制氫相比，電催化分解水制氫是可再生及環(huán)境友好的制備法。開發(fā)高效、可替代鉑的價(jià)格低廉的非貴金屬析氫電催化劑，是當(dāng)前氫能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
 
　　在非貴金屬電催化劑中，Ni及Ni基合金是最常用的析氫電催化劑，但和鉑相比，其性能還存在較大差距。為了提高金屬Ni催化劑的析氫電催化性能，北京化工大學(xué)結(jié)合硬軟模板技術(shù)，以聚合物膠體晶體為硬模板，溶致液晶為軟模板，并通過(guò)化學(xué)還原沉積法制備出具有三維有序大孔/介孔多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)的金屬Ni電催化材料。物理表征和電催化析氫性能測(cè)試表明：該金屬Ni電催化材料具有起始析氫過(guò)電位低、交換電流密度高以及電荷轉(zhuǎn)移電阻小的特點(diǎn)，另外還具有良好的穩(wěn)定性，在電催化分解水制氫方面具有很好的應(yīng)用前景。
 
　　燃料電池用催化劑 在能源領(lǐng)域，鉑基材料是燃料電池技術(shù)中最主要、性能最優(yōu)越的催化劑，但鉑在地球上的探明儲(chǔ)量很少，應(yīng)用面臨成本問(wèn)題。
 
　　提高鉑基催化劑性能的研究方向主要分為三大類：純鉑催化劑，主要通過(guò)調(diào)控鉑顆粒的形貌，晶面來(lái)提高材料性能；鉑合金催化劑，主要通過(guò)將鉑摻入其他金屬或其他金屬摻入鉑中制成合金來(lái)提高性能并降低鉑的用量；鉑/金屬多聚體催化劑，制備例如核/殼結(jié)構(gòu)的異二聚體，利用金屬間的作用來(lái)提高催化劑的性能并且降低鉑的用量。
 
　　為了降低鉑基材料的成本，廈門大學(xué)選擇銀為載體，合成了空心結(jié)構(gòu)的銀/鉑雙金屬納米材料，具有優(yōu)異的催化氧還原反應(yīng)的性能與更佳的催化穩(wěn)定性，可用作燃料電池陰極的催化劑。