纳米催化剂的介绍及其制备
--工业催化剂小论文
姓名:蒋应战
班级:化工091
学号:0806044111(32号)
指导老师:宫惠峰老师
学校:邢台职业技术学院
目录
1.纳米材料作催化剂的特点 (2)
2.纳米催化剂制备……………………………….. ..2-3
3.微乳液法制备纳米催化剂………………………...4-9
4.纳米粒子催化剂的应用 (10)
5.纳米催化剂的展望................................. . (11)
参考文献................................. . .. (11)
纳米催化剂的介绍及其制备
纳米材料是指颗粒尺寸为纳米量级(1nm～l00nm)的超细粒子材料。
纳米技术是当前材料学中研究的前沿和热点，纳米粒子具有比表面积大、表面晶格缺陷多，表面能高的特性，在一些反应中表现出优良的催化性能。
纳米催化剂的制备已成为催化剂制备学科中的一个热点。
纳米催化剂相对常规尺寸的催化剂具有更高的表面原子比和比表面积，其催化活性和选择性大大高于传统催化剂，可作为新型材料应用于化工中。
1. 纳米材料作催化剂的特点
工业生产中的催化剂应具有表面积大,稳定性好,活性高等优点。
而纳米材料恰恰满足这些特点。
采用纳米材料制备的催化剂比常规催化剂的催化效率选择性更高。
例如,利用纳米材料可用作加氢催化剂,粒经小于0.3ｎｍ的镍和铜—锌合金的纳米材料的催化效率比常规镍催化剂高10倍。
又如纳米稀土氧化物/氧化锌可作为二氧化碳选择性氧化乙烷制乙烯的催化剂,用这种纳米催化剂,乙烷和二氧化碳反应可高选择性地转化为乙烯,乙烷转化率可达60%,乙烯选择性可达90%。
1.1 纳米催化剂的表面与界面效应
纳米催化剂颗粒尺寸小,位于表面的原子占的体积分数很大,产生了相当大的表面能,随着纳米粒子尺寸的减少,比表面积急剧加大,表面原子数及所占的比例迅速增大。
例如,某纳米粒子粒径为5ｎｍ时,比表面积为180/ｇ,表面原子所占比例为50%,粒径为2ｎｍ时,比表面积为450/ｇ,表面原子所占比例为80%,由于表面原子数增多,比表面积大,原子配位数不足,存在不饱和键,导致纳米颗粒表面存在许多缺陷,使其具有很高的活性,容易吸附其它原子而发生化学反应。
这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面输送和构型的变化,同时也引起表面电子自旋、构象、电子能谱的变化。
1.2纳米催化剂的量子尺寸效应
当粒子的尺寸降到(1～10)ｎｍ时,电子能级由准连续变为离散能级,半导体纳米粒子存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级,能隙变宽,此现象即量子尺寸效应,量子尺寸效应会导致能带蓝移,并有十分明显的禁带变宽现象,使得电子/空穴具有更强的氧化电位,从而提高了纳米半导体催化剂的光催化效率。
1..3纳米粒子宏观量子隧道效应
量子隧道效应是从量子力学观点出发,解释粒子能穿越比总能量高的势垒的一种微观现象。
近年来发现,微颗粒的磁化强度和量子相干器的磁通量等一些宏观量也具有隧道效应,即宏观量子隧道效应。
研究纳米这一特性,对发展微电子学器件将具有重要的理论和实践意义。
2. 纳米催化剂制备
目前制备纳米材料微粒的方法有很多，但无论采用何种方法，制备的纳米粒子必须符合下列要求：a.表面光洁；b.粒子形状、粒径及粒度分布可控；c.粒子不易团聚、易于收集；d.包产出率高。
制备纳米催化剂的常用方法有：
2.1 气相法
气相法主要包括：溅射法、气体冷凝法、混合等离子法、化学气相沉积法等等。
化学气相沉积技术(CVD)是其中一种比较好的化学方法，它是以气体为原料，在气相中通过化学反应形成物质的基本离子，然后经过成核和生长两个阶段合成纳米材料。
用该方法制成的纳米粒子纯度高、粒度分布均匀。
2.2 液相法
液相化学法制备纳米催化剂已成为纳米催化剂制备技术发展的主要方向之一，其合成法主要包括：水热法、沉淀法、溶胶—凝胶法、离子交换过程、喷雾法、溶剂挥发分解法、微乳液法等等。
这类方法可以选择一种或多种合适的可溶性金属盐类，计量配制溶液，使各种成份在溶液中以离子或分子的形式均匀分散，再通过合适的沉淀剂或采用蒸发、升华、水解等操作，使金属离子均匀沉淀或结晶出来，最后将沉淀或结晶产物进行脱水或加热分解制得纳米材料。
这类方法主要有以下优点：成本低，反应温度低，设备简单且要求不高；反应容易控制，可以通过对温度、反应时间等工艺参数来控制催化剂的晶型及颗粒尺寸；过程相对简单，不需添加表面稳定剂，易于实现工业化生产。
2.2.1沉淀法沉淀法是通过化学反应使原料的有效成分沉淀,然后经过过滤、洗涤、干燥、加热分解而得到纳米粒子,沉淀法包括直接沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法、配位沉淀法等,其共同的特点是操作简单方便。
2.2.2水解法它是在高温下先将金属盐的溶液水解,生成水合氧化物或氢氧化物沉淀,再加热分解得到纳米粒子的一种方法。
水解法包括无机水解法、金属醇盐水解法、喷雾水解法等,其中以金属醇盐水解法最为常用,其最大特点是从物质的溶液中直接分离所需要的粒径细、粒度分布窄的超微粉末。
该法具有制备工艺简单、化学组成能精确控制、粉体的性能重复性好及得率高等优点,其不足之处是原料成本高,若能降低成本、则具有极强的竞争力。
2.2.3溶剂热合成法该法是于高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成氧化物,再经分离或热处理得到纳米粒子。
此法具有原料易得、粒子纯度高、分散性好、晶型好且可控、成本相对较低等优点。
2.2.4溶胶—凝胶法该法利用金属醇盐的水解或聚合反应制备氧化物或金属非氧化物的均匀溶胶,再浓缩成透明凝胶,使各组分分布达到分子水平,凝胶经干燥、热处理即可得到纳米粒子。
该法优点是粒径小、纯度高、反应过程易控、均匀度高、烧结温度低,缺点是原料价格高、有机溶剂有毒、处理时间较长等。
2.2.5微乳液法该法利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成均匀的乳液,剂量小的溶剂被包裹在剂量大的溶剂中,形成许多微泡,微泡表面由表面活性剂组成,微泡中的成核、生长、凝结、团聚等过程局限在一个微小的球型液滴内,从而形成球型颗粒,避免了球型间的进一步团聚,微乳液法具有制备的粒子粒径小、单分散性好、实验装置简单、易操作等优点,有很好的发展前景。