碳纳米管作为催化剂载体的应用探究

任丙南(三亚学院海洋研究所,海南 三亚 572022)

1.1 碳纳米管具有自由移动的电子

碳纳米管与石墨结构类似，具有大量自由电子可沿着管壁移动，这就是碳纳米管既有金属导电性，又具有非金属的半导体性质的原因。当碳纳米管具有某些特殊的缺陷时，可同时具有金属的性质和半导体的性质，而碳纳米管的缺陷可以通过科学的手段引入甚至对缺陷进行位置调整，这就为改变和调节碳纳米管的电性能提供了可能。

1.2 碳纳米管比表面积大

碳纳米管的比表面积大，硬度高，且具有高的热稳定性。碳纳米管是石墨碳原子层曲卷形成的无缝、中空的管体，因此具有极大的比表面积，这也是碳纳米管成为科研工作者研究热点的重要原因之一。

碳纳米管的内部结构决定了其具有良好的硬度、优异的机械性能、独特的光电性，这就使得它在复合材料、纳米半导体材料、催化剂载体等领域具有重要的研究价值及应用价值。

2 碳纳米管作为催化剂载体的应用

2.1 碳纳米管电学性能的应用

碳纳米管具有大量能自由移动的未成对电子，这就使得碳纳米管兼具金属的导电性和半导体性能。相对于石墨中的自由电子，碳纳米管管壁内自由移动的电子具有更低的结合能，这就证明碳纳米管内的电子具有更强的流动性和逃逸能力，这一点通过XPS试验分析，已经得到证实。碳纳米管的这种独特结构更能促使其对负载的活性成分发生相互作用，从而促进催化反应。我国科学家陈鸿博研究组对以碳纳米管作为载体的钾促进钌基催化合成氨进行了探究，实验表明，碳纳米管相对去石墨等其他催化剂载体而言，具有更高的活性。碳纳米管作为催化剂载体，能提高催化性能的主要原因是电子效应。通过对碳纳米管缺陷的引入及位置的调控，可改变碳纳米管的电学性能，从而产生有益于催化反应的电子效应，提高催化性能。

2.2 碳纳米管内腔结构的应用

碳纳米管的空腔可作为催化位置，通过控制碳纳米管的空腔的大小，选择和区别不同尺寸、不同形状的物质。碳纳米管的内腔可以容纳1.8nm的具有催化活性的物种，并未其提供分子扩散和反应的空间，从而保障反应物的反应活性在较高的维持范围内；管内的空间限制对反应物和中间态的的空间取向具有良好的导向作用，从而对产物具有优良的选择性。张宇等关于碳纳米管作为催化剂载体对于反应的转化率及选择性做了较为系统的研究。该组以碳纳米管为载体的铑膦络合物催化剂催化丙烯氢甲酰的反应为例，对反应的催化性能进行了探究。实验结果表明碳纳米管内腔为载体的催化剂具有更好的催化性能，丙烯氢甲酰的转化率可达到32%，且产物具有良好的选择性；而内腔未被利用的，同类催化剂的催化性能相对较低，丙烯氢甲酰的转化率仅为17.2%，反应产物的选择性也较差。综合结果表明，碳纳米管的内腔对提高该反应催化剂的催化性能及产物的选择性具有积极意义。

2.3 碳纳米管的储氢性能的探究

碳纳米管的比表面积大，因此具有良好的储氢性能。在不改变温度等外界条件下，嵌入钾或者锂后，可提高14%-20%的储氢量。以碳纳米管为载体，嵌入过渡金属氧化物制成的催化剂，用于催化加氢合成甲醇时，过渡金属的氧化物异裂氢分子，产生的氢正离子和氢负离子转移到碳纳米管上，以CHx的形式储存，CO在过渡金属Rh上活化后，储存的CHx释放氢正离子和氢负离子，并加到CO上，从而完成一氧化碳（CO）加氢合成甲醇（CH3OH）的过程。通过测试发现，碳纳米管为载体制成的催化剂性能明显优于以氧化铝（Al2O3）为载体的铜催化的催化性能，且选择性方面更具优越性，可使产物产率高达98%。另外，Rodkigues研究组将铁-铜催化剂（Fe-Cu）分别负载到氧化铝（Al2O3）、活性炭和碳纳米管上，研究三种不同载体的同种催化剂对催化乙烯加氢反应的影响。实验结果显示，以氧化铝（Al2O3）为载体的催化活性最差，其次为活性炭为载体的催化剂，催化活性最好的是以碳纳米管为载体的催化剂。这一组对比实验表明载体能改善催化剂的活性主要是由于金属晶粒与载体之间能发生相互作用，碳纳米管的储氢性能就是其中的一个作用。在未来的应用研究工作中，应重点研究碳纳米管与活性组分间的相互作用情况、催化活性位的确定、催化剂在碳纳米管内的分散情况、负载物种在催化反应过程中的作用等问题，这是碳纳米管做为催化剂载体得以广泛应用需要解决的关键问题。

3 碳纳米管应用前景展望

碳纳米管做为纳米材料的一种，在微观结构及性能方面具有独特的优越性，这是其具有良好发展前景的基础。随着研究的不断深入，人们对碳纳米管的性能将更加了解，从而利用其独特性能设计更多的应用产品，由此可以预见，碳纳米管未来在化学催化领域必将得到广泛应用。

[1]覃喆华.碳纳米笼的制备及其作为催化剂载体的应用研究[D].华东理工大学,2014.

[2]朱继.碳纳米管的制备和作为环境催化剂载体的可能应用[D].浙江大学,2012.

[3]项少辉.碳纳米管的应用现状及展望[J].科学与财富,2011,(2):45.