纳米催化技术的应用

2010-10-10 2 目录 背景 应用举例 1. 能源领域 2. 空气净化 3. 汽车尾气净化 未来展望 参考文献 2010-10-10 3 背景 近年来，纳米材料、纳米技术在 诸多领域引起广泛的关注，成为 国际上研究和开发最活跃的领域 之一，被认为是 21世纪人类最有 前景的技术领域。 由于纳米材料具有独特的物理性 能和特定的化学性能，具有 比表 面积大 、 表面活性高 等特点，显 示出许多传统催化剂无法比拟的 优异特性。 现今发展最快的纳米结构催化剂 领域是纳米微孔分子筛和纳米介 孔分子筛。此外还有酶催化剂。 一些新型的纳米结构材料，如 纳 米碳管 、纳米纤维、纳米膜等也 为纳米催化研究带来了新的机遇 和挑战。 由于纳米材料具有优良的性 能，已经引起了世界各国材 料学者和催化学者的极大重 视与关注，已成为材料学科 与新颖交叉学科研究的热点， 并取得了显著的突破与进展， 作为新材料己被广泛地应用 于石油、化工、能源、涂料、 生物以及环境保护等许多领 域，展现了宽广的应用前景。 2010-10-10 4 应用举例 1. 能源领域 2. 空气净化 3. 汽车尾气净化 2010-10-10 5 能源领域 纳米催化技术在能源领域的一个重要应用就是 CeO2。 水汽转移反应分为两步进行。 第一步是 CO的水汽转移反应， 在中温条件下进行，第二步是 微量 CO的深度氧化过程。目前 常规的工业催化刘，不能直接 应用于燃料电池系统。这是由 于高温段的 Fe-Cr催化剂活性 不够高，同时，低温段 Cu基催 化剂条件苛刻时，性能不够稳 定。由于受车用燃料电池自重 （ 30一 40kg）、体积（ 30一 40L）以及载量的限制，这类 催化剂无法直接应用于该系统。 2010-10-10 6 能源领域 NexTech开发了一类 Pt/CeO2无机膜结构催化剂，如图所示，发现随着膜催化 剂中 CeO2粒度的持续下降其 WGS反应活性迅速提高，到纳米尺度时，性能最佳。 同时，提出了 CeO2储氧促进机制。与低温段 Cu基催化剂相比，该类催化剂在车 用燃料电池领域显示出巨大的应用潜力。如图所示，相比 Cu基催化剂，燃料 电池效率提高，成本明显降低。 2010-10-10 7 空气净化 传统的空气净化技术大多采用活性炭吸附空气中的有毒污染物，但污染物本身 的处理仍然是一个问题。而以锐钛矿型纳米 TiO2：催化剂为代表的光催化空气 净化技术具有室温深度氧化、二次污染小、运行成本低和可望利用太阳光为反 应光源等优点，再加上纳米 TiO2制备成本低、化学稳定性和抗磨损性能良好等 优点，在空气尤其是在室内空气的深度净化方面显示出了巨大的应用潜力。 中国科学院兰州化学物理研究所在 1991年成功地开发出了可同时消除微量 H2S、 SO2、 NH3和 CH3SH等有恶臭气味的光催化剂和适合于消除封闭和半封闭空间微量 有害气体的光催化空气净化器。古政荣等旧 3研制的活性炭一纳米 TiO2复合光催 化空气净化网在功率为 6w、波长为 254nm的紫外杀菌灯照射 3h后，甲苯甲醛、 TCE、 H2S、 NH3和 CO的净化率分别为 98.8%、 98.5%、 99.5%、 99.6%、 96.5%和 60.1%，活性炭还可以原位再生。周宇松等在负载型纳米 TiO2光催化剂分解炼油 厂典型的恶臭、有毒有害气体 H2S、甲基醇与乙硫醇模拟试验的基础上，研制出 纳米光催化空气净化样机，可以快速分解 H2S气体，有希望得到推广应用。 2010-10-10 8 汽车尾气净化 汽车尾气机外净化采用的多为含贵金属的三元汽车尾气催化转化器，但贵金属价格 昂贵，又容易发生 Pb、 S、 P等中毒，寻找新型催化材料部分或全部替代贵金属已成 为必然趋势。以活性炭为载体、纳米 Zn0.5Ce0.5O2。粉体为催化活性体的汽 车尾气净化催化剂，由于其表面存在着具有极强电子得失能力的 Zr4+ Zr3+、 Ce4+/Ce3+离子对，电子可以在三价和四价离子之间传递，因此具有极强的电子催化 氧化还原性，再加上纳米材料比表面大、空间悬键多、吸附能力强，因此它在氧化 CO的同时还原 NOx，使它们转化为对人体和环境无害的气 CO2和 N2。不过，纳米微粒 的粒径要控制得当，否则得不到最佳的催化效果。在 CO的低（常）温催化氧化过程 中，当纳米金微粒的粒径在 2 3nm时，金催化剂催化氧化 CO的活性最高。但对某 些纳米催化剂而言，当纳米微粒的粒径减小到 10nm后，增加的表面积有可能被很大 的表面再混合效应所抵消，因此，粒径的过度减小还有可能导致其活性下降。 2010-10-10 9 汽车尾气净化 纳米级的 Fe、 Ni与 TiO2和 Al2O3等载体在 700 - 1000 下的烧结体 也可以代替贵金属而作为汽车尾气净化剂。用惰性气体蒸发冷凝 法制备的 Fe、 CO、 Ni纳米粒子（ 30nm）和 TiO2及 Al2O3载体混合后， 在 700 - 1000 下焙烧得到的催化剂能有效降低尾气中的 CO、 NOx和烃含量，其净化率相当于最好的铂催化剂并且寿命比较长。 纳米光催化技术也是净化汽车尾气的有效手段之一。如在建筑物 的外墙板上、隧道内照明灯和高速路两旁路灯灯罩玻璃上涂以纳 米 TiO2涂层，可以净化由于各种汽车、摩托车排出的 NOx 、油、 积炭及扬起的尘埃，并能够杀菌防污。 2010-10-10 10 未来展望 纳米催化技术作为一种新型环境友好的技术，已成为当代材料学科和 催化学科研究的前沿。但迄今对各种新型纳米材料的研究，总体上仍 处于实验室和理论探索阶段，在催化领域应用的实例还不多，更谈不 上工业化实施。这就为工业催化者们提出了艰巨而紧迫的任务。 展望未来，纳米催化技术的发展方兴未艾，面临着极大的机遇与挑战， 具有潜在的工业应用价值，有可能引起化学工业某些工艺技术的变革 或突破性进展。 2010-10-10 11 参考文献 1. 董淼 储德清 .纳米催化技术的应用进展 .天津工业 大学材料科学与化学工程学院。 2. 黄仲涛 耿建铭 .工业催化（第二版） .化学工业出 版社。 3. 沈迪新我国汽车尾气污染控制与对策 【 J】 .环 境科学进展， 1997,5(6):23-25 。