催化剂与绿色化学
张烨
材料化学
2012111
绿色化学又称环境友好化学，它是在化学产品的设计、制造和应用过程中运用一套原理和理论来减少或者消除对有害物质的生产和利用的一门学科。

绿色化学工艺的目标是用化学的技术和手段去减少或消除那些对人类健康有害的原料、产物、副产物、溶剂和试剂等的产生或应用。

绿色化学的核心是新催化剂和新反应工艺的研究！催化技术是绿色化学工艺研究及应用的重要手段。

两者的关系可以说是你中有我，我中有你。

绿色化学由美国化学会（ACS）提出，目前得到世界广泛的响应。

其核心是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染；反应物的原子全部转化为期望的最终产物。

涉及原子经济性和绿色化学“十二原则”问题。

而催化剂在这方面有着难以取代的作用。

绿色催化剂：绿色化学要求化学品的生产最大限度地合理利用资源，最低限度地产生环境污染和最大限度地维护生态平衡。

它对化学反应的要求是：采用无毒、无害的原料；在无毒无害及温和的条件下进行；反应必须具有高效的选择性；产品应是环境友好的。

这四点要求之中有两点涉及到催化剂，人们将这类催化反应称为绿色催化反应，其使用的催化剂也就称为绿色催化剂。

绿色催化剂的种类及性质：1）固体酸催化剂
2）固体碱催化剂
3）生物催化剂
4）光催化剂
5）电极催化剂
6）膜催化剂
固体酸催化剂：分子筛催化剂，又称沸石分子筛催化剂，指以分子筛为催化剂活性组分或主要活性组分之一的催化剂。

分子筛具有离子交换性能、均一的分子大小的孔道、酸催化活性，并有良好的热稳定性和水热稳定性，可制成对许多反应有高活性、高选择性的催化剂。

杂多酸催化剂，由杂原子（如P、Si、Fe、Co 等）和配位原子（即多原子，如Mo、W、V、Nb、T a 等）按一定的结构通过氧原子配位桥联组成的一类含氧多酸或为多氧簇金属配合物，常用HPA 表示。

特点有：可通过杂多酸组成原子的改变来调变其酸性和氧化还原性；一些杂多酸化合物表现出准液相行为，因而具有一些独特的性质；结构确定，兼具一般配合物和金属氧化物的主要结构特征，热稳定性较好，且在低温下存在较高活性；它是一种环境友好的催化剂。

固体碱催化剂：一般而言，固体碱可理解为凡能使酸性指示剂改变颜色的固体，或是凡能化学吸附酸性物质的固体；按BrÖnsted 和Lewis的酸碱定义，则固体碱是具有接受质子或给出电子对能力的固体。

固体碱的特点：固体碱作为催化剂具有高活性、高选择性、反应条件温暖和、产物易于分离、可循环使用等诸多优点。

固体碱的应用有：1.异构化反应：烯的异构化反应，如：1-丁烯异构化生成2-丁烯的反应通常被用来研究反应机理和表征催化剂的性能。

Al2O3、CaO和MgO对此反应有较好的催化活性；
2.氧化反应：不饱和烯烃的环氧化作用是在固体碱催化剂作用的同
时伴有过氧化氢物的加入；
3.氨化反应:在固体碱催化剂作用下伯胺和仲胺能够与共轭双烯发
生加成反应。

碱土金属氧化物、La2O3、ThO2等固体碱催化剂在反应中表现了较高的活性;
4.氢化反应:通常氢分子在固体碱催化剂被吸附并形成H+和H-起
到氢化作用。

固体酸碱催化反应的优势：在工艺上容易实现连续生产，不存在催化剂与原料和产物相分离、对设备的腐蚀、对人身危害和产生废酸碱污染环境等问题；可在高温下反应，大大提高生产效率；可扩大酸碱催化剂的应用领域，易于与其他的单元过程偶合形成集成过程，节约能源和资源。

生物催化剂:工业用生物催化剂是游离或固定化的酶或活细胞的总称。

由于具有反应条件温和、催化效率高和专一性强的优点，利用生物催化或生物转化等生物方法来
生产药物组分已成为当今生物技术研究的热点课题。

分类：氧化还原酶:对氧化还原反应有催化作用;
转移酶：转移酶的功能是转移基团，如转移甲基、甲酰基、糖苷基、氨基等基团等；
水解酶：水解酶对底物的水解反应起催化作用，如淀粉水解成糖、蛋白质水解成氨基酸、脂肪水解成脂肪酸等；
裂合酶：裂合酶能促进使底物移去一个基团而留下一个双键的反应或逆反应。

如脱羧酶、脱氨酶、水化酶等，均属此类；
异构酶：异构酶能促使同分异构物相互转变，例如将甜度为74％（以蔗糖的甜度为100％）的D－葡萄糖转化为甜度为173％的D－果糖；
连接酶：连接酶可以促进两种物质分子在ATP的参与下合成一种新物质的反应。

连接酶也称合成酶。

生物催化剂的应用：
目前，微生物和酶工艺已被用于生物衍生原料，现在开始扩展到石油衍生材料领域，且手性酶在有机药品合成及柴油微生物脱硫中得到广泛应用，在反应中作歧化剂。

在生产小分子的药物及中间体时，生物转化和传统的化学方法最显著的区别就是能非常有效地不对称合成手性化合物。

光催化剂：借助光的激发而进行催化反应的催化剂
分类：ZnO-CuO-H202，在紫外光作用下，可对染料废水进行催化脱色，脱色率100%；
Ti O2光催化剂光解二氯乙酸、光的光解制氢,CO2的光催化固碳都是为未来解决能源、人工光合作用的主要催化反应。

电极催化剂：电极既是电化学反应的反应物场所，也是供应和接收电子的场所，故
兼有催化和促进电子迁移的双重功能。

通过外部电路调控电极电位，可对反应条件、反应速率进行调控；
日本EbaraResea公司应用电极催化处理有机废水，经处理后99%的酚、酸、烯、酉旨及其它有机物都发生降解反应，也有用此法来处理含铬废水、烟
气及煤中的硫分
虽然绿色化工催化剂理论发展逐渐得到完善，但大多数催化剂仍停留在实验阶段，催化剂性能不稳定，制备过程复杂，性价比低是制约其工业化应用的主要原因，但从长远角度考虑，采用绿色化工催化剂是实现生产零污染的一个必然趋势。

环境友好的负载型杂多酸催化剂既能保持低温高活性、高选择性的优点，又克服了酸催化反应的腐蚀和污染问题，而且能重复使用，体现了环保时代的催化剂发展方向。

今后的研究重点应是进一步探明负载型杂多酸的负载机制和催化活性的关系，进一步解决活性成分的溶脱问题，并进行相关的催化机理和动力学研究，为工业化技术提供数据模型，使负载型杂多酸早日实现工业化生产，为石油化工和精细化工等行业创造更大的经济、社会效益。