纳米催化剂的应用研究进展

刁润丽，王花丽

河南质量工程职业学院，河南平顶山 467001

在21世纪，纳米技术与生物技术和信息技术一起被称为伟大的三项发明。纳米技术是主要研究在0.1～100 nm结构范围内，用单个的分子、原子来制备产物的技术[1-3]。纳米材料是介于宏观物体和原子簇之间的一类超细材料，具有小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等一些特殊性能。基于此，纳米材料吸引着各领域研究者们的目光，而纳米技术的发展又为材料、化学、物理、仿生学及生物等学科提供了新的发展空间[4-5]。

纳米催化剂已被列为第4代催化剂，纳米催化技术是当前研究的热点，石油化工、物理化学、化学合成等多领域都对纳米催化剂进行了深入的研究[6]。纳米催化剂以纳米微粒为主体，粒径一般在1～100 nm之间，比表面积大、表面活性高，因此与传统催化剂相比，它的选择性更大、催化活性更高，在催化剂领域彰显了巨大的发展前景，在化学合成、石油化工、环保、生物和能源等领域取得了非常好的收益[7]。

1 纳米催化剂的性质

1.1 化学反应性质

纳米催化剂的粒径为纳米级，性质非常活泼，有很强的化学反应性质。如在空气中纳米级的金属催化剂可以发生氧化反应，剧烈时伴随有发光燃烧现象；45 nm的TiN晶粒在空气中受热可燃烧得TiO2晶粒[8]。

1.2 催化性质

纳米催化剂粒子比表面积大、表面原子配位不足等，使其表面的活性中心增多，从而使纳米粒子具有催化活性。纳米粒子催化剂没有孔隙，可直接加入反应体系，不必外加载体。另外，纳米粒子催化剂的表面比较粗糙，可以扩大反应面积。

1.3 光催化性质

纳米催化剂可以吸收光能，使其氧化还原能力增强，从而有利于催化反应。粒径越小，光催化性越强，反应速度越快。

此外，纳米催化剂材料还具有高比热、高塑性、高硬度、高导电率和高磁化率等优异的物理化学性能。随着更进一步的研究，相信纳米催化剂还会有更多优异的性能呈现出来[9]。

2 纳米催化剂的应用

2.1 催化反应

纳米催化剂由于催化活性位多、表面积大，具有良好的稳定性和选择性，比传统催化剂具有更多优势，在加氢催化、光催化和电催化等领域获得了广泛的应用[10]。

2.1.1 加氢催化反应

左东华等首先制得纳米钯/Al2O3，通过氢电弧等离子体法，然后加入丁二烯加氢反应中，反应温度控制在40～80 ℃，纳米钯/Al2O3表现出良好的选择性和加氢活性，比齐鲁石化的化学浸渍钯/Al2O3性能优越很多[11]。

只有还原剂时，具有化学惰性的芳香族硝基化合物不易反应，因此还要添加催化剂。徐兴良等[12]选用具有高选择性和催化活性的金属纳米复合催化剂，在氢气的作用下还原有毒的芳香族硝基化合物，得到胺基类化合物，无毒而且可以作为生物医药、精细化工的中间体。

2.1.2 光催化反应

对于传统的空气净化技术来说，污染物的处理一直是一个难题。新的光催化空气净化技术，具有二次污染小、条件温和、运行成本低等优点，催化剂采用稳定性好、耐磨和低廉易得的纳米TiO2，因此该技术在空气净化方面具有强大的优势。光催化空气净化的机理为:

其中：MC为污染物，M1、M2为无害产物。OH是主要的氧化剂，它可以将空气中的部分无机污染物和绝大多数的有机污染物降解为H2O、CO2和HNO3等。研究显示，纳米TiO2涂料对甲醛、NH3和甲苯等主要室内气体污染物可达到90%以上的降解率[13]。

2.1.3 电催化反应

目前的电催化研究是采用电化学循环伏安法，在导电聚合物薄膜中分散加入金属超微粒子进行的。将过渡金属微粒钯、铂、锡、钌等嵌入聚(3-甲基噻吩)、聚苯胺、聚硫堇等导电聚合物中，对甲酸、甲醇等有机小分子进行电催化氧化。由于聚合物与金属微粒的协同作用及微粒本身的高分散性，使金属微粒在反应中具有良好的电催化活性。

还有一种纳米光电催化体系，称为传感器或纳米电极。例如测定血糖的一种生物传感器葡萄糖氧化酶(GOD)，在其中加入亲水的纳米金或憎水的纳米二氧化硅，由于GOD颗粒在这些纳米颗粒的作用下排列整齐，因而响应电流大幅增加，颗粒尺寸越小效果越明显。

2.2 化学电源

在化学电源方面，主要是采用纳米轻烧结构体作各种电池的电极，如燃料电池、化学电池、光化学电池中用纳米Ag，Ni的轻烧结体作电极，可以增大有效接触面积，使反应的表面积增大，从而使电池效率提高，同时还能减轻重量，使电池更易于小型化[14]。在化学电池中，纳米银和镍的轻烧结体作为电极已经实现了应用。在锂电池和光化学电池中采用纳米银、镍、TiO2烧结体作电极的研究也在积极进行中。PRABHURUM等以VulcanXC-72碳为基底制得纳米Pt催化剂，在燃料电池中作催化剂，效果非常好[15]。

2.3 环境保护

经济发展的同时，水污染、大气污染日益严重，环境不断恶化。纳米催化剂也逐渐应用于环保领域，改善着生态环境。韩巧凤等首先通过溶胶-凝胶法制得平均粒径为50 nm的复合稀土氧化物催化剂，然后进行吸收尾气应用，结果显示NOx的转化率超过75%，HC和CO的转化率超过90%[16]。纳米的镍、铁与γ-Al2O3的混合轻烧结体也可以用作催化剂净化汽车尾气。纳米TiO2具有优异的光催化性能，能对废水中的卤代芳烃、卤代脂肪烃、酚类及农药等污染物进行有效分解。目前已知纳米TiO2可以对80多种有毒化合物进行处理，这其中包括有毒溶剂、照相工业和纺织印染工业的污染物、木材防腐剂、农药、染料及燃料油等用生物降解法难以处理的污染物。纳米催化剂还可以杀菌。纳米氧化锌的定量杀菌性能研究显示，当浓度为1%时，在5 min内，纳米氧化锌能杀死99.93%的大肠杆菌和98.86%的金黄色葡萄球菌。

2.4 工业生产

催化剂应用于工业生产中，不仅要有高的催化性，关键是要有好的经济效益。目前纳米催化剂在工业生产中应用的越来越多，如在石油化工、电池工业中，加入纳米催化剂可以加速反应，提高效率，优化产品结构，产品的质量、产率和附加值都可以得到提高[17]。例如可以提高汽油生产效率，同时减轻对环境的污染，还可生产高辛烷值的汽油。在二氧化碳氧化乙烷制乙烯的过程中加入纳米稀土氧化物作催化剂，反应的选择性可提高到90%。在石油化工添加剂中加入纳米催化剂，可以用作助燃剂、润滑添加剂等。在电池工业中添加纳米催化剂，可以增大比表面积，提高活性和稳定性，且不易发生中毒反应等。例如通过加入纳米Pt催化剂来增大比表面积，从而提高电化学反应速率，应用于燃料电池中，取得了非常好的效果。

2.5 含能材料

含能材料是一类储存有大量能量并能将其释放出来的材料，主要包括炸药、火药、推进剂、点火药、发射药等，在各领域都有广泛的应用[18]。纳米催化剂具有优异的催化性能，使含能材料能够更充分、更彻底地释放能量，提高了能量的使用效能。纳米催化剂可以对固体推进剂、火炸药的燃烧性能进行调节，它使固体推进剂与黏合剂和氧化剂之间的接触面积增大，从而使固体推进剂的燃烧速度明显增大[19]。纳米催化剂还可以使固体推进剂的压力指数降低，能量性能提高，催化剂的用量明显减少，从而减轻重量；还可以使导弹、火箭实现精确制导和远程打击，从而使导弹的综合使用性能得到提升等。

3 展望

纳米催化剂作为一种新型的催化剂，由于特殊的纳米结构而具有优异的催化性能，成为关注和研究的热点，在诸多领域具有广泛的应用。但实际过程中还有一些问题需要解决。

1)纳米材料成本较高，在实际过程中应考虑尽量减少其用量或找到新的物质替代，一方面以降低成本，另一方面又保证催化效率。

2)纳米催化剂的种类及制备技术很多，但大多限于实验室和小规模生产阶段，未来应尽快解决技术难题，扩大生产规模，实现工业化生产。

3)纳米催化剂的合成机理目前研究的还不是很透彻，还有很多问题没有解决，需在理论上进行深入探索和研究，弄清楚其合成机理，从根本上解决实际应用中的问题。

4)系统的综合各学科的研究体系还没有完全建立，未来需要各学科继续紧密联系、加强合作，以更好地解决交叉学科的纳米技术问题，促进各学科共同发展进步。