四大催化材料简述
08工业催化与煤化工01班何国栋0806160103 随着时代的发展，人类的进步，许多新的社会问题诸如能源、环境又出现在人们眼前。

材料是一个包容万象的大学科，与人们的生活息息相关，人类要想取得更大的成就，获得更高的生活水平，我们必须在材料上有所创新，而催化剂在其中又有着举足轻重的作用，催化材料作为催化剂的主体，我们完全有必要在催化材料这个领域做深入的研究。

对现代催化材料而言，其基本分为四类：光催化材料、稀土催化材料、新型催化材料和复合催化材料。

1、光催化材料
光催化材料是由CeO
2（70%-90%）、ZrO
2
（30%-10%）组成，形成ZrO
2
稳定
CeO
2
的均匀复合物，外观呈浅黄色，具有纳米层状结构，在1000℃经4个小时老化后，比表面仍较大（>15M#G），因此高温下也能保持较高的活性。

用途:适用于高温催化材料,如汽车尾气催化剂。

技术背景：能源危机和环境问题。

人类目前使用的主要能源有石油、天然气和煤炭三种。

根据国际能源机构的统计，地球上这三种能源能供人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年。

而太阳能不仅清洁干净，而且供应充足，直接利用太阳能来解决能源的枯竭和地球环境污染等问题是其中一个最好、直接、有效的方法。

为此，中国政府制定实施了“中国光明工程”计划。

它的核心就是开发高效的太阳光响应型半导体光催化剂。

光催化材料的基本原理：半导体在光激发下，电子从价带跃迁到导带位置，以此，在导带形成光生电子，在价带形成光生空穴。

利用光生电子-空穴对的还原氧化性能，可以降解周围环境中的有机污染物以及光解水制备H2和O2。

高效光催化剂必须满足如下几个条件：（1）半导体适当的导带和价带位置，在净化污染物应用中价带电位必须有足够的氧化性能，在光解水应用中，电位必
须满足产H
2和产O
2
的要求。

（2）高效的电子-空穴分离能力，降低它们的复合
几率。

（3）可见光响应特性：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太阳光能
的4%，如何利用可见光乃至红外光能量，是决定光催化材料能否在得以大规模实际应用的先决条件。

提高光催化材料性能的途径：
（1）颗粒微细纳米化
降低光生电子-空穴从体内到表面的传输距离，相应的，它们被复合的几率也大大降低。

（2）过度金属掺杂和非金属掺杂
（3）半导体复合
利用异种半导体之间的能带结构不同，复合后，如光生电子从A粉末表面输出，而空穴从B表面导出。

也即电子和空穴得到有效分离。

（4）表面负载
将半导体纳米粒子固定技术在不同的载体上（多孔玻璃、硅石、分子筛等）制备分子或团簇尺寸的光催化剂。

（5）表面光敏
2、稀土催化材料
到目前为止，能够在工业中获得应用的稀土催化材料主要有3类，包括分子筛稀土催化材料、稀土钙钛矿催化材料、以及铈锆固溶体催化材料。

稀土钙钛矿催化材料由于其制备简单、耐高温、抗中毒等性能优越，目前主要用作环保催化剂，也广泛用于光催化分解水制氢、以及石油化工行业的碳氢化合物重整反应等方面。

目前已开发并应用的主要有钙钛矿型稀土复合氧化物催化剂、以及掺杂微量贵金属的稀土钙钛矿型催化剂等。

铈锆固溶体催化材料是应汽车尾气净化市场的需求发展起来的一种稀土催化材料。

早期主要利用铈的储氧性能来调节汽车尾气中的氧化还原反应。

后来发现单一的铈储氧材料其持久性耐高温性能并不能满足日益发展的汽车尾气催化剂的寿命要求，而添加一些锆可明显改善储氧材料的抗高温性能，从而改善催化剂的耐久性。

目前，铈锆固溶体催化材料不仅用于石油化工领域的各种催化过程，也广泛用于汽车尾气净化、以及其它环保领域。

与传统的贵金属催化剂相比，稀土催化材料在资源丰度、成本、制备工艺、以及性能等方面都具有较强的优势。

目前不仅大量用于汽车尾气净化，还扩展到
工业有机废气、室内空气净化、催化燃烧、以及燃料电池等领域。

自20世纪90年代末以来，发达国家的环保催化剂市场一直以20%速度增长。

因此，稀土催化材料在环保催化剂产品市场，特别是在有毒、有害气体的净化方面，具有巨大的应用市场和发展潜力。

3、新型催化材料——SAPO分子筛
（1）SAPO分子筛的种类和结构
、AlO、PO三种四面体单元构成的微孔型晶体。

SAPO分 SAPO分子筛是由SiO
2
子筛的结构种类很多，根据孔径大小可分为：微小孔径结构、小孔径结构、中等
、A1O三种孔径结构和大孔径结构四种类型(见表1)。

SAPO分子筛的骨架是由SiO
2
四面体单元构成的三维骨架结构，有些属于新型结构，有些则与常规沸石的结构相似，具有从六元环至十二元环的孔道结构，孔径在0.3mm～0.8nm，因此能适应不同尺寸分子吸附和扩散的要求。

（2）SAPO分子筛的应用
按照合成条件及含硅量的不同，不同SAPO分子筛呈现出从中强酸到强酸不等的催化性能，并且具有良好的热稳定性和水热稳定性，因此可用作催化剂或催化剂载体。

（3）结论
不同的合成条件和含硅量可制得不同孔结构SAPO分子筛。

由于骨架呈负电性，具有可交换的阳离子，同时呈现出质子酸性，因此，SAPO分子筛被广泛用作吸附剂、催化剂及催化剂载体，是一种具有优异择形选择性、热稳定性和湿热稳定性的新型催化材料。

SAPO分子筛可呈现出由中强酸到强酸的催化性能，几乎可用于所有的烃类反应，诸如催化重整、催化裂化、加氢精制、加氢异构化、脱氢环化、芳烃歧化及甲醇转化等。

随着对SAPO分子筛结构和性质以及合成方法和条件研究的进一步深入，这一新型分子筛必将在更广泛的催化领域得到应用。

4、复合催化材料——Mo-V-Te-La复合氧化物催化材料
(1)催化剂的制备：(NH
4)
5
MO
7
O
24
·4H
2
O、NH
4
VO
3
、TeO
2
、La(NO
3
)
3
·nH
2
O以不同的配
比加约15ml蒸馏水放入小型高压反应釜,油浴温度控制在170℃,反应48h后把反应釜里的混合物倒入烧杯。

此时混合物呈橙色, 再把它放在微波炉里进行干燥, 得到橙黄色的催化剂前体。

将催化剂前体进行研磨后才能放入石英管中在氮气保护下,程序控温先在150℃下焙烧2h, 再在600℃下焙烧2h,得到Mo-V-Te-La复合氧化物催化剂。

（2）催化剂的表征
①X射线衍射(XRD)
样品物相分析, 在Thermo- X T’RA X 射线衍射仪进行。

采用CuKα射线, 石墨滤波器, 管压40 kV,管电流120 mA。

②拉曼光谱(Raman)
Raman光谱分析在Renishaw 公司生产的配备有共焦显微镜(50倍目镜)和CCD 检测器的Uv-V is 100 Raman光谱仪上进行。

激发光源是Ar激光(514.5nm),使用的激光的能源是0.39mW(5mW×7.8%)。

（3）催化剂活性测试
在自组装的微反固定床- 在线色谱联用装置上对催化剂进行了初步的筛选, 对部分催化剂样品进行反应活性评价。

实验采用石英管式固定床流动反应器, 在常压下选择性氧化丙烷生成丙烯醛和丙烯酸,石英管内径为6mm 。

反应物和产物通过杭州科晓公司生产的GC-1690 型气相色谱仪进行分析,气相色谱仪配备有两个色谱柱和两个检测器, 分别为:①Porapak Q(2.0m×1/8in.),连接FID检器；②碳13A分子筛(2m×1/8in.),连接TCD检测器。

其中Porapak Q用来分析乙烯、丙烷、丙烯、丙烯醛、丙烯酸；而TDX- 1 分子筛用来分析氮气、氧气、一氧化碳,二氧化碳。

反应气通入盛有蒸馏水的圆底烧瓶后进入反应器,蒸馏水维持在50℃, 反
应气的体积流量为N
2:17.5ml/min,O
2
:5ml/min,C
3
H
8
:5ml/min,H
2
O:18ml/min 。