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工业催化中纳米材料的应用分析
发布时间:2018-11-07

  摘要: 二十一世纪以来, 科学技术的发展速度逐渐加快, 尤其是纳米材料的研究更是重要的科研方向, 对新材料的合成和优化有着重要的作用。而纳米材料因其颗粒小等特点, 是工业催化的第四代催化剂。从纳米材料的发展着手, 系统地讲述了其在工业催化中的应用。

  关键词: 纳米材料; 工业催化; 应用;

纳米材料论文配图

  随着纳米科技的进步, 纳米材料在化学工业、生物行业以及能源行业等都有广泛的应用, 又因其催化效果极佳等优点在工业催化中得以推广, 而且兼具经济效益和生态效益, 发展前景良好。为此, 对纳米材料的发展进行研究并将应用研究重点放在工业催化上, 对提高催化效率有着重要的作用。

  1 纳米材料发展概述

  纳米材料是对直径在10-9m以内的材料的总称, 从材料的性能转换上来看, 材料进入纳米范畴就会发生性能上的变化, 介乎于微观和宏观世界之间。从纳米材料的性能上看, 材料的力学性能有了大幅度的提高, 不会出现位错滑移的问题, 磁学性能上具有高的矫顽力, 热学性能则表现为高比热容和大的热膨胀系数。此外, 光学性能和电学性能也有独特的特征且比传统的材料性能更好。纳米材料的出现是在十九世纪六十年代, 胶体化学的出现开启了对纳米材料的研究, 主要是在实验室通过各种材料的物理和化学反应等多种制备方法, 对纳米材料的单一性能进行研究。到二十世纪九十年代, 纳米材料的研究逐渐从单一性能的研究和使用发展成为充分利用物理和化学性质进行材料的复合, 主要是物理性质的研究为主[1]。

  2 工业催化应用纳米材料

  纳米材料的颗粒直径小, 外部和内部存在很大的差异, 使得粒子活性较高, 能够很好地适用于工业催化领域。经过长期的研究和应用, 纳米材料的催化应用种类主要有以下几点。

  2.1 纳米金属催化剂

  纳米材料与传统的材料不同, 在光电、化学和结构上都具有独特的优势, 根据近些年纳米材料作为工业催化剂的使用情况来看, 具有高的催化性和选择性, 而纳米金属催化剂在工业催化中使用的频率较高。在工业催化中, 设计纳米金属催化剂时, 因热学性能结构不稳定可以采用沉降纳米粒子到金属表面的形式, 以金属和纳米两种材料之间的相互制约和作用, 起到稳定粒子结构的目的, 一般选择活性大的金属成分, 如二氧化硅、氧化铝等氧化物质都可以作为纳米粒子附着的金属。为了在工业催化中更好的应用, 要提高以往制备纳米材料催化剂的制备参数的准确性, 并创新本研究新型的制备方法。通常情况下, 可采用浸渍法、离子交换法、金属有机分解法、原位合成法以及沉积法。

  浸渍法是制备工业催化纳米材料的常用方法, 就是将金属中含有的盐成分同纳米紧密接触, 充分浸渍后将作为水溶液排出, 经过一系列的干燥和还原反应, 得到纳米金属催化剂, 操作简便且可以重复使用。离子交换法就是将沸石这一具备离子交换能力的物质同带有阳离子性质的液体反应, 形成活性高的金属, 经干燥等步骤得到金属催化剂。

  2.2 纳米材料光催化剂

  近些年, 我国对环境保护的重视程度日益增加, 研究纳米材料催化剂的环保成为了工业催化行业的重点研究话题, 异质纳米材料光催化剂得以在工业催化中被应用。纳米光催化剂的组成是由两个或以上的结构不同的成分连接到一起的, 部分材料直接接受空气可使粒子与环境充分反应, 而通过不同的纳米材料组合催化性能更加优越。在制备这一工业催化剂时, 可使用的方法有三种。

  (1) 凝胶制备法。这一方法简单来说指的是硅烷的水解与缩聚制备出锆钛或二氧化钛形式的纳米光催化剂。而由于两者之间的化学组成分子之间具有相匹配的结构, 可以顺利地实现电荷的转移。或者也可以使用二氧化碳还原乙醇再添加碳纳米元素的方法, 制备出活性和催化性较高的纳米材料光催化剂。 (2) 利用水溶剂的合成法。水溶剂的热合成法制备方法, 指的就是通过添加热溶剂引起光电子的分离和反应, 经过高温和高压环境的熔炼制成光催化剂。但这一方法缺少对催化反应的检测, 而且高温高压环境需要大量的经济成本投入和安全保障。 (3) 共沉积法。共沉积法的制备过程需要将葡萄糖作为还原反应的催化剂, 使二氧化钛这可见光发生沉淀, 再经过系列的还原反应制成光催化剂。

  2.3 纳米碳催化剂

  纳米碳催化在工业催化中也比较常见, 通过烷烃的脱硫反应形成了活性高且催化维持时间长的催化剂。目前, 常见的制备方法有化学气相沉积、电弧放电、激光蒸发和溶剂热解制备方法, 但这些方法中大部分都需要特殊的仪器进行, 价格较高, 所以一般采用热解法制备纳米碳催化剂。在制备的过程中, 主要的纳米碳制备物质为碳氢化合物, 注入氢气或者氮气, 通过气体的稀释促进碳氢化合物进行正常的反应, 从而形成纳米碳催化剂, 如需进一步地提高质量可选择活性极高的甲烷进行化学催化。除此之外, 纳米微粒催化剂也是重要的形式, 制备时可以采用凝胶法, 通过对纳米薄膜物理等性质的研究, 提高工业催化效率。

  3 结语

  总而言之, 纳米材料的发展经过了单一性质研究到全面系统化体系建立三个阶段, 又因其活性高等优势在工业催化中多有应用, 主要体现在纳米碳催化、纳米材料光催化剂等方面。

  参考文献
  [1]朱脉勇, 陈齐, 童文杰, 等.四氧化三铁纳米材料的制备与应用[J].化学进展, 2017, 29 (11) :1366-1394.
  [2]闫蒙钢, 朱小丽, 张占丽.美国“总统绿色化学挑战奖”近十年获奖回顾与启示[J].化学教育, 2016, 30 (05) :75-77.

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