關(guān)于納米催化劑及其應(yīng)用與展望納米技術(shù)是一門(mén)交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域納米物理學(xué)納米化學(xué)納米材料學(xué)納米生物學(xué)納米電子學(xué)納米加工學(xué)納米力學(xué)納米材料的制備和研究是整個(gè)納米技術(shù)的基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)最重要的內(nèi)容第2頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天

近年來(lái)，納米科學(xué)與科技的發(fā)展已廣泛地滲透到催化研究領(lǐng)域，其中最典型的實(shí)例就是納米催化劑的出現(xiàn)及與其相關(guān)研究的蓬勃發(fā)展。第3頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.1納米金屬粒子催化劑

納米金屬粒子作為催化劑已成功地應(yīng)用到加氫催化反應(yīng)中。以粒子小于0.3微米的Ni和Cu-Zn合金的超細(xì)微粒為主要成分制成的催化劑，可以使有機(jī)物加氫的效率比傳統(tǒng)鎳催化劑高10倍。第4頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天

金屬納米粒子十分活潑，可以作為助燃劑在燃料中使用，還可以摻雜到高能密度的燃料，如炸藥中，以增加爆炸效率，或作為引爆劑使用。將金屬納米粒子和半導(dǎo)體納米粒子混合摻雜到燃料中，可以提高燃燒的效率。目前，納米鋁粉和鎳粉已經(jīng)被用在火箭燃料中作助燃劑，每添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為百分之十的超細(xì)鋁或鎳微粒，每克燃料的燃燒熱可增加一倍。第5頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2納米金屬氧化物催化劑已報(bào)道的納米金屬氧化物催化劑有銅鉻氧化物、Fe3O4、TiO2等。用超細(xì)的Fe3O4微粒作為催化劑可以在低溫下將CO2分解為C和H2O。A1Tschope等人用惰性氣體冷凝法制備的金屬氧化物CeO2催化CO的氧化和SO2的還原反應(yīng),使反應(yīng)活性、選擇性和熱穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。

第6頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3納米半導(dǎo)體粒子光催化劑納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑，納米半導(dǎo)體比常規(guī)半導(dǎo)體光催化活性高得多。目前在光催化降解領(lǐng)域所采用的光催化劑多為N型半導(dǎo)體材料，如TiO2、ZnO、Fe3O4、SnO2、WO3、CdS等，但由于光腐蝕和化學(xué)腐蝕的原因,實(shí)用性較好的有TiO2和ZnO，其中以TiO2的使用最為廣泛。第7頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天

TiO2以其活性高、熱穩(wěn)定性好、持續(xù)性長(zhǎng)、價(jià)格便宜、對(duì)人體無(wú)害等特征倍受人們青睞，成為最受重視的一種光催化劑,目前已廣泛用于廢水處理、有害氣體凈化、食品包裝、日用品、紡織品、建材和涂料等方面。第8頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4納米固載雜多酸鹽催化劑

納米固載雜多酸鹽催化劑是催化合成己酸乙酯的良好催化劑,不僅反應(yīng)溫度低,不用帶水劑,而且催化劑用量少又易回收,在工業(yè)生產(chǎn)中有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。第9頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5納米固體超強(qiáng)酸催化劑

固體超強(qiáng)酸是指酸度比100%硫酸更強(qiáng)的酸，即Hammett酸度函數(shù)H0<-11.93的酸就是超強(qiáng)酸。目前,固體超強(qiáng)酸作為一類(lèi)新的催化劑材料已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，由于其制備方法較為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、催化活性高、易分離、不腐蝕設(shè)備、不污染環(huán)境,是很有應(yīng)用前景的綠色工業(yè)催化劑。第10頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天2納米催化劑的特點(diǎn)納米催化劑具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)及表面特性；納米催化劑具有比表面積大、表面活性高等特點(diǎn)，顯示出許多傳統(tǒng)催化劑無(wú)法比擬的優(yōu)異特性；納米催化劑還表現(xiàn)出優(yōu)良的電催化、磁催化等性能。第11頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1表面效應(yīng)

描述催化劑表面特性的參數(shù)通常包括顆粒尺寸、比表面積、孔徑尺寸及其分布等。當(dāng)微粒粒徑由10nm減小到1nm時(shí),表面原子數(shù)將從20%增加到90%。這不僅使得表面原子的配位數(shù)嚴(yán)重不足、出現(xiàn)不飽和鍵以及表面缺陷增加,同時(shí)還會(huì)引起表面張力增大,使表面原子穩(wěn)定性降低，極易結(jié)合其它原子來(lái)降低表面張力。第12頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2體積效應(yīng)

當(dāng)納米顆粒的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)或比其更小時(shí),晶態(tài)材料周期性的邊界條件被破壞,非晶態(tài)納米顆粒的表面附近原子密度減小,

使得其在光、電、聲、力、熱、磁、內(nèi)壓、化學(xué)活性和催化活性等方面都較普通顆粒相發(fā)生很大變化,如納米級(jí)膠態(tài)金屬的催化速率就比常規(guī)金屬的催化速率提高了100倍。第13頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)納米顆粒尺寸下降到一定值時(shí),費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)將由準(zhǔn)連續(xù)態(tài)分裂為分立能級(jí),此時(shí)處于分立能級(jí)中的電子的波動(dòng)性可使納米顆粒具有較突出的光學(xué)非線性、特異催化活性等性質(zhì)。量子尺寸效應(yīng)可直接影響到納米材料吸收光譜的邊界藍(lán)移,同時(shí)有明顯的禁帶變寬現(xiàn)象；這些都使得電子、空穴對(duì)具有更高的氧化電位,從而可以有效地增強(qiáng)納米半導(dǎo)體催化劑的光催化效率。第14頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天3納米催化劑的制備方法

目前生產(chǎn)納米催化劑的方法很多,無(wú)論采用哪一種方法，制備的納米粒子必須達(dá)到如下要求：表面光潔；粒子形狀、粒徑及粒度分布可控；粒子不易團(tuán)聚；易于收集，產(chǎn)率高。

第15頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天3納米催化劑的制備方法3.1溶膠-凝膠法

金屬有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物經(jīng)過(guò)溶膠-凝膠化和熱處理形成氧化物或其他固體化合物的方法。

3.2沉淀法

在液相中將化學(xué)成分不同的物質(zhì)混合,再加入沉淀劑使溶液中的金屬離子生成沉淀,對(duì)沉淀物進(jìn)行過(guò)濾、洗滌、干燥或煅燒制得所需產(chǎn)品。

第16頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天3納米催化劑的制備方法3.3浸漬法將載體置于含活性組分的溶液中浸泡達(dá)到平衡后將剩余液體除去(或?qū)⑷芤喝拷牍腆w),再經(jīng)干燥,煅燒,活化等步驟得到所需產(chǎn)品。3.4微波合成法

在微波輻射作用下,金屬鹽或醇鹽溶液能直接分解,生成超細(xì)金屬氧化物或硫化物粉體，該方法操作簡(jiǎn)便，產(chǎn)物粒徑分布窄、形態(tài)均一，具有其它方法不可比擬的優(yōu)越性。第17頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天3納米催化劑的制備方法3.5微乳液法

首先需要配制熱力學(xué)穩(wěn)定的微乳液體系,然后將反應(yīng)物溶于微乳液中，使其在水核內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物在水核中成核、生長(zhǎng)，去除表面活性劑，將得到的固體粗產(chǎn)物在一定溫度下干燥、焙燒，即可得到所需產(chǎn)品。第18頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天3納米催化劑的制備方法3.6離子交換法

首先，對(duì)沸石、SiO2等載體表面進(jìn)行處理,使H+、Na+等活性較強(qiáng)的陽(yáng)離子附著在載體表面上，然后將此載體放入貴金屬陽(yáng)離子基團(tuán)的溶液中，通過(guò)置換反應(yīng)使貴金屬離子占據(jù)活性陽(yáng)離子原來(lái)的位置，在載體表面形成貴金屬納米微粒。第19頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天3納米催化劑的制備方法3.7水解法

首先,在高溫下將金屬鹽溶液水解,生成水合氧化物或氫氧化物沉淀,再將沉淀產(chǎn)物加熱分解得到納米顆粒。水解法具有制備工藝簡(jiǎn)單、化學(xué)組成可精確控制、粉體性能重復(fù)性好、收率高等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是成本較高。第20頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天3納米催化劑的制備方法3.8等離子體法

將使用等離子體方法制得的納米Cu、Cr、Mn、Fe、Ni等顆粒,按一定比例與載體加入自制的加載裝置內(nèi)混合，在機(jī)械力作用下可形成均勻、牢固的負(fù)載型納米金屬催化劑。第21頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天

應(yīng)用等離子體活化手段不僅可以活化不活潑分子,還可以解決熱力學(xué)上受限反應(yīng)的問(wèn)題。利用冷等離子體特有的熱力學(xué)非平衡特性,可使催化劑和活化過(guò)程低溫化、高效化。第22頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天3納米催化劑的制備方法3.9惰性氣體蒸發(fā)法在低壓的惰性氣體中，加熱金屬使其蒸發(fā)后形成納米微粒。納米微粒的粒徑分布受真空室內(nèi)惰性氣體的種類(lèi)、氣體分壓及蒸發(fā)速度等的影響，通過(guò)改變這些因素，可以控制微粒的粒徑大小及其分布。第23頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.1納米催化劑在化學(xué)電源中的應(yīng)用

納米催化劑在化學(xué)電源中應(yīng)用研究主要集中在把納米輕燒結(jié)構(gòu)體作為電池電極。采用納米輕燒結(jié)構(gòu)體作為化學(xué)電池、燃料電池和光化學(xué)電池的電極，可以增加反應(yīng)表面積，提高電池效率，減輕重量，有利于電池的小型化。如鎳和銀的輕燒結(jié)構(gòu)體作為化學(xué)電池等的電極已經(jīng)得到了應(yīng)用。

第24頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.2納米催化劑在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用4.2.1光催化空氣凈化

以銳鈦礦型納米TiO2催化劑為代表的光催化空氣凈化技術(shù)具有室溫深度氧化、二次污染小、運(yùn)行成本低和可利用太陽(yáng)光為反應(yīng)光源等優(yōu)點(diǎn)，再加上納米TiO2制備成本低、化學(xué)穩(wěn)定性和抗磨損性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在空氣尤其是在室內(nèi)空氣的深度凈化方面顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。第25頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.2納米催化劑在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用4.2.2汽車(chē)尾氣處理

COx和NO氣體是汽車(chē)尾氣排放物中的主要污染成分。負(fù)載NCsPt-γ-Al2O3-CeO2有效地解決了催化劑使用溫度范圍與汽車(chē)尾氣溫度范圍不匹配的問(wèn)題，催化CO轉(zhuǎn)化率可高達(dá)83%。

第26頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天

在存在氧氣條件下，Pd-RhNCs在CO氧化過(guò)程中表現(xiàn)出很高的活性，而在無(wú)氧狀態(tài)下，Pt-RhNCs活性更高；對(duì)于NO還原反應(yīng)，無(wú)論氧氣存在與否，Pt-RhNCs都表現(xiàn)出較高的催化活性。此外，沉積在過(guò)渡金屬氧化物Fe2O3上的納米Au微粒對(duì)于室溫下CO的氧化也具有很高的催化活性。第27頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天5納米催化劑的發(fā)展現(xiàn)狀

納米催化劑的研究雖然取得了一些成果，但是納米催化劑的制備和應(yīng)用尚屬剛剛起步，仍然存在許多問(wèn)題，需要進(jìn)一步解決。第28頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天（1）現(xiàn)有的制備技術(shù)還不夠成熟,已取得的成果還停留在實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)模生產(chǎn)階段,對(duì)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)涉及到的工程技術(shù)問(wèn)題認(rèn)識(shí)不夠；

(2)能夠工業(yè)化生產(chǎn)納米催化劑的設(shè)備有待進(jìn)一步研究和改進(jìn),以提高產(chǎn)量并降低粉末的成本；5納米催化劑的發(fā)展現(xiàn)狀第29頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天(3)納米催化劑的應(yīng)用范圍還比較小，不能滿(mǎn)足現(xiàn)代合成化學(xué)的需要；(4)納米催化劑的性能穩(wěn)定控制技術(shù)尚未掌握，粉末在空氣中極易被氧化，吸濕和團(tuán)聚，性能很不穩(wěn)定，給納米催化劑的工業(yè)化應(yīng)用帶來(lái)了障礙，并且降低了其使用性能。5納米催化劑的發(fā)展現(xiàn)狀第30頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天參考文獻(xiàn)[1]高紅,趙勇.納米材料及納米催化劑的制備[J]天津化工,2003-5[2]張汝冰,劉宏英,李鳳生.納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J]化工新型材料,1999-5[3]汪