环保催化剂的应用与研究进展王洪涛（中南大学化学化工学院长沙 410012）摘要：环境间题是人类不能回避的现实问题，环保催化剂在解决环境污染问题上具有很大的潜力，本文主要介绍了环保催化剂在环境保护中的一些应用，并对其将来的发展做一下展望。
关键词：环保催化剂；研究；进展；应用Abstract: The environmental problem is the unavoidable reality of human,environmental catalysts to solve environmental pollution problems has great potential, thispaper describes the environmental catalyst for some applications in environmentalprotection, and to do what their future development prospects .Keywords: environmental catalysts; research; progress; application1．前言保护环境和地球上有限的资源，最好的办法是不产生污染物，为此，必须从产生这些污染物的化学反应的本身去寻找解决环境污染的办法。
治理“三废”的环境保护方法实际上有两大类：一类是对排放污染源的处理，也就是传统意义上的“末端治理”法，即将排放污染源中的毒物降解成无毒的或毒性小的物质，使其符合环境法法规的要求再行排放。
另一类是对产生污染源的整个工艺过程进行根治，这就是现在提倡的绿色化工的内涵，即尽量不使用有毒、有害的原料和溶剂，从而实现毒物和废弃物的零排放，并使生成的产物可以重复利用。
然而，无论环境污染的“末端治理”法，还是绿色化工的实施，都离不开催化剂。
椐统计，80%以上的化学反应与催化剂有关【1】。
据世界市场研究机构福斯特与沙利（Frost&Sulivan）公司的预测，在今后的十年内环保催化剂将增长13%【2】，每一种新型催化材料的发现及新催化工艺的成功应用都会引起相关工艺的重大变革。
环保催化剂的范畴从广义上讲，可以认为是对环境保护有益的所有催化剂，包括不要或不产生有害副产物的催化合成过程;从狭义上讲，就是与温室效应、臭氧层破坏、酸雨范围的扩大化及水体污染等的改善所涉及的催化剂种类。
本文将讲述狭义上的环保催化剂的利用现状及发展方向。
2.环保催化剂的利用现状催化剂改变了化学反应的途径和选择性，从而可以获得预期的产物。
催化剂减少了有毒气体等的生成，从而净化了空气和水。
更给人们的生活带来了巨大的利益和方便,环保催化剂与其他化学反应用的催化剂相比,对环境有巨大的好处。
2.1在室内空气净化中的应用【3】室内有害气体，主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢、氨气以及各类臭气等。
作为空气净化材料TA 光催化剂与一些气体吸附剂(沸石、活性炭、Si0X等)相结合，在弱紫外光激发条件下，就可有效地将吸附于其表面的这些物质分解、氧化，从而使这些物质降低或去除。
对室内主要的气体污染物甲醛、甲苯等的研究结果表明，污染物的光降解与其浓度有关。
100×106护以下的甲醛可完全被TiO2光催化分解为CO2和H2O。
而在较高浓度时，则被氧化成为甲酸。
高浓度甲苯光催化降解时，由于生成的难分解的中间产物富集在TiO2周围，阻碍了光催化反应的进行，去除效率非常低。
但低浓度时，TiO2表面则没有中间产物生成，甲苯很容易被氧化成CO2和H2O。
实际生活空间场合，甲醛、甲苯等有机物的浓度都非常低。
在居室、办公室窗玻璃、陶瓷等建材表面涂敷Ti场光催化薄膜或在房间内安放TiO2光催化设备均可有效地降解这些有机物，净化室内空气。
此外，TiO2光催化薄膜对乙醛等臭气的光照射反应显示:当臭气体的初始浓度大时(5000个单位体积浓度)，只有在紫外光照射下才具有明显的消臭效果，而当其浓度低(100个单位体积浓度)时，通常的荧光灯就可将其完全分解。
量子效率的测定结果表明，进行低浓度乙醛的光催化反应时，普通荧光灯的效率比紫外光源要高得多，对其他臭气如甲硫醇、硫化物、氨气等也观测到同样的现象。
人们对臭气很敏感，但其实际浓度都很低，一般在10个单位以下，这样的浓度只要使用白色荧光灯所含的紫外光量就足以将其除去。
古政荣【4】以具有直通孔的成型支承体胶粘活性炭(AC)为复合载体，采用浸涂法在复合载体上形成纳米二氧化认光催化剂薄壳层，制备出可用于室内空气净化的活性炭一纳米二氧化钦光催化净化网。
实验结果表明，以功率为6W、波长254nm的紫外杀菌灯照射3h，其甲苯净化率为98.8%，三氯乙（TCE)净化率为99.5%,硫化氢净化率为99.6%，氨气净化率为96.5%，甲醛净化率为98.5%，一氧化碳净化率为60.1%。
通过对比实验还表明，所研制的复合型空气净化网具有单纯活性炭、单纯光催化剂TiO2、活性炭与二氧化钦简单混合等净化网所不具备的综合优势，通过复合提高了光催化效率，同时达到活性炭原位再生目的。
2.2在治理大气污染方面的应用【5】稀土钙钦矿复合氧化物作为汽车尾气净化催化剂表现出很好的应用前景。
由于催化剂的催化活性与其比表面积成正比，因此将稀土钙钦矿复合氧化物制成纳米粒子可以提高其比表面积，从而显著提高其对汽车尾气的净化催化效率，这为开发高效价廉的汽车尾气催化剂指明了一条新的制备思路。
纳米级稀土钙钦矿型复合氧化物ABO,对尾气中的CO、NO X和HC都具有良好的催化转化作用。
刘源等人【6】采用共沉淀法制得拥有较高比表面积的纳米晶LaO.9SrO.1CoO3钙钦矿型复合氧化物，发现它对CO氧化呈现出优越的活性，CO到130℃时可完全转化为CO2,。
韩巧凤等【7】用溶胶一凝胶法制备了一系列负载在荃青石蜂窝体上的纳米复合稀土氧化物催化剂，将平均粒径为50nm的LaxA(1-x)MnO3,安装在依维柯汽车上，CO和HC的转化率高于90%, NO X的转化率高于75%，行车近6000km时总转化率下降不到10%，而在同等条件下，常规催化剂的CO和HC转化指标都不如前者，尤其是NO X的转化率还不到40%.Szabo等【8】采用机械合成法制备了多种钙钦矿型氧化物。
他们将各种简单氧化物混合，在室温下进行强烈球磨，反应后得到了具有钙钦矿结构的化合物。
由于反应温度较低，合成的催化剂具有很大的比表面，有的甚至超过l00m2/g，Shu和Kalia-Guine【9】在柠檬酸络合法的基础上，通过加入Zn(N03)2,来合成具有大比表面积的化合物。
用NH4Cl水溶液将ZnO洗去，得到了具有钙钦矿结构的LaCoO3,催化剂，其比表面积超过了30m2/g，还产生了更多的晶格缺陷，所以催化活性大大提高。
近年来，很多稀土钙钦矿型复合氧化物己经投放市场应用于汽车尾气的治理。
2.3 在治理有害废水方面的应用纳米级稀土钙钦矿型复合氧化物作催化剂还可用于有机污染物的催化降解。
天津大学王俊珍等【10】制备了20～30nm的SrFe03-λ，用其对染料废水进行催化降解。
研究发现，纳米级SrFe03-λ悬浮体系可使各种不同水溶性染料溶液降解脱色。
实验证明，染料的脱色并非催化吸附所致，而是发生了催化降解。
钙钦矿型ABO,复合氧化物中，一般起催化作用的是具d电子的B位过渡金属离子，A位离子只起稳定钙钦矿结构和调节B位离子价态的作用。
在SrFe03-λ中，由于B位Fe离子多种价态的共存，造成晶体中形成大量氧空位，氧空位的存在不仅使催化反应中反应物分子易于被吸附，而且使催化剂表面具有催化活性的吸附氧，所以SrFe03-λ具有较高的催化活性，可以使染料分子降解脱色。
2.4在汽车尾气污染治理中的应用【11】目前全球城市废气的80%一90%由机动车排放，汽车尾气中的主要污染物CO、NO X和CH等带来的空气污染已成为人类生存迫切需要解决的间题。
通过改进发动机的燃烧使污染物的产生量减少和利用装置在发动机外部的净化设备，对排出的废气进行净化治理这两种途径可以降低汽车尾气中有害物质的排放浓度。
目前汽车尾气机外净化采用的多为含贵金属的三元汽车尾气催化转化器，但贵金属价格昂贵，又容易发生Pb, S, P等中毒，寻找新型催化材料.部分或全部替代贵金属已成为必然趋势。
稀土纳米材料集稀土和纳米材料特性于一体，用纳米稀土粒子取代三效催化剂中的常规稀土化合物，可以提高汽车尾气中CO, NO X和CH的转化率。
唐定骥等【12】用纳米La2O3和CeO2作为汽车尾气净化剂涂层的添加剂，催化活性大有提高，CO转化50%时温度降低了近409摄氏度。
这可能是以纳米微粒分散的热稳定性好的稀土化合物加强了与Pt, Rh等贵金属之间的相互作用。
有研究表明，复合稀土化合物的纳米粉体有着其他材料难以企及的氧化还原性能【13】。
最新研究表明【14】，复合稀土化合物的纳米粉体有极强的氧化还原性能，可彻底地解决汽车尾气中一氧化碳(CO)和氮氧化物(N0X)的污染问题。
以活性碳为载体、纳米Zn0.5Ce0.502粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂，由于其表面存在Zr4+/Zr3+及Ce4+/Ce3+，电子可以在其三价和四价离子之间传递，因此具有极强的电子催化氧化还原性，再加上纳米材料比表面大、空间悬键多、吸附能力强，因此它在氧化一氧化碳的同时还可还原氮氧化物，使它们转化为对人体和环境无害的气休。
不过，纳米微粒的粒径要控制得当，否则得不到最佳的催化效果。
在CO的低(常)温催化氧化过程中，当纳米金微粒的粒径在2一3mn时，金催化剂催化氧化CO的活性最高【15】。
但对某些纳米催化剂而言，当纳米微粒的粒径减小到10。
后，增加的表面积有可能被很大的表面再混合效应所抵消，因此，粒径的过度减小还有可能导致其活性下降。
韩巧凤等【16】把纳米复合稀土氧化物LaxA(1一x)Mn03催化剂安装在依维柯汽车上，CO和HC的转化率高于90%, NO X的转化率高于75%，行车近6000km时总转化率下降不到10%，而在同等条件下，常规催化剂的CO和HC转化指标都不如前者，尤其是NO X的转化率还不到40%。
纳米氧化钵/氧化钻的二元和三元复合粉体目前作为三效催化剂中的第二载体，已被国外广泛用于环保领域。
而更新一代的纳米复合稀土氧化物催化剂，将在汽车发动机汽缸里发挥催化作用，使汽油在燃烧时就不产生CO和N0X,，无需进行尾气净化处理。
我国是世界上稀土资源最丰富的国家，研究开发稀土纳米技术并将其应用于各种材料，包括各种功能的汽车尾气净化材料，将具有广阔的应用前景。
3.环保催化剂的研究热点3.1 贫燃车用催化剂柴油发动机和在贫燃条件下操作的汽油发动机空燃比（空气和燃料之比）大于17:1，甚至更高。