纳米催化剂简介摘要催化剂的作用主要可归结为三个方面：一是提高反应速度，增加反应效率；二是决定反应路径，有优良的选择性，例如只进行氢化、脱氢反应，不发生氢化分解和脱水反应；三是降低反应温度。
纳米粒子作为催化剂必须满足上述的条件。
近年来科学工作者在纳米微粒催化剂的研究方面已取得一些结果，显示了纳米粒子催化剂的优越性。
纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。
最近，关于纳米微粒表面形态的研究指出，随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶，这就增加了化学反应的接触面。
有人预计超微粒子催化剂在下一世纪很可能成为催化反应的主要角色。
尽管纳米级的催化剂还主要处于实验室阶段，尚未在工业上得到广泛的应用，但是它的应用前途方兴未艾。
关键词：性质，制备，典型催化剂，表征技术，应用，目录绪论-----------------------------------------------------------1 1. 纳米催化剂性质----------------------------------------------1 1.1 纳米催化剂的表面效应-------------------------------------1 1.2 体积效应-------------------------------------------------11.3 量子尺寸效应---------------------------------------------12. 纳米催化剂的制备--------------------------------------------2 2.1 溶胶凝胶法-----------------------------------------------2 2.2 浸渍法---------------------------------------------------2 2.3 沉淀法---------------------------------------------------3 2.4 微乳液法-------------------------------------------------3 2.5 离子交换法-----------------------------------------------3 2.6 水解法---------------------------------------------------3 2.7 等离子体法----------------------------------------------3 2.8 微波合成法-----------------------------------------------42.9 纳米材料制备耦合技术-------------------------------------43. 几种典型催化剂----------------------------------------------4 3.1 纳米金属粒子催化剂---------------------------------------4 3.2 纳米金属氧化物催化剂-------------------------------------5 3.3 纳米半导体粒子的光催化-----------------------------------5 3.4 纳米固载杂多酸盐催化剂-----------------------------------5 3.5 纳米固体超强酸催化剂-------------------------------------6 3.6 纳米复合固体超强酸催化剂---------------------------------6 3.7 磁性纳米固体酸催化剂-------------------------------------6 3.8 碳纳米管催化剂-------------------------------------------73.9 其它纳米催化剂-------------------------------------------74. 纳米催化剂表征技术------------------------------------------74.1 催化剂形态表征技术--------------------------------------7 4.1.1电子显微镜技术---------------------------------------7 4.1.2 最新电子显微镜技术--------------------------------7 4.2 催化剂表面结构表征--------------------------------------8 4.2.1 吸附法----------------------------------------------8 4.2.2 X 射线光电子能谱 ( X PS)----------------------------84.2.3 傅里叶变换 - 红外光谱( F T - I R )------------------8 4.3 催化剂内部结构表征--------------------------------------8 4.3.1外延 X 射线吸收精细结构谱( EXA F S)------------------8 4.3.2 X 射线衍射( X RD )----------------------------------8 4.4 催化剂性能测试------------------------------------------9 4.4.1电子顺磁共振( EP R )---------------------------------9 4.4.2 差热分析技术( D T A/ T G)---------------------------94.4.3 掠入射小角 X 射线散射技术 ( G I S A XS )------------95.纳米催化剂的应用分类---------------------------------------95.1 金属纳米粒子的催化作用--------------------------------95.2 带有衬底的金属纳米粒子催化剂---------------------------95.3 半导体纳米粒子的光催化---------------------------------105.4 纳米金属、半导体粒子的热催化---------------------------10绪论近年来,纳米科学与技术的发展已广泛地渗透到催化研究领域,其中最典型的实例就是纳米催化剂的出现及与其相关研究的蓬勃发展。
N C s具有比表面积大表面活性高等特点,显示出许多传统催化剂无法比拟的优异特性;此外,NCs还表现出优良的电催化、磁催化等性能,已被广泛地应用于石油、化工、能源、涂料、生物以及环境保护等许多领域。
本文主要就近年来NCs的研究进展进行了综述。
1. 纳米催化剂性质1.1 纳米催化剂的表面效应描述催化剂表面性质的参数通常包括颗粒尺寸比表面积、孔径尺寸及其分布等。
有研究表明,当微粒粒径10nm减小到1nm时,表面原子数将从20 %增加到90%。
这不仅使得表面原子的配位数严重不足、出现不饱和键以及表面缺陷增加, 同时还会引起表面张力增大,使表面原子稳定性降低,极易结合其它原子来降低表面张力。
此外,Perez 等认为N Cs的表面效应取决于其特殊的16种表面位置,这些位置对外来吸附质的作用不同,从而产生不同的吸附态,显示出不同的催化活性。
1.2 体积效应体积效应是指当纳米颗粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或比其小时,晶态材料周期性的边界条件被破坏,非晶态纳米颗粒的表面附近原子度减小 ,使得其在光、电、声、力、热、磁、内压、化学活性和催化活性方面都较普通颗粒相发生很大变化,如纳米级胶态金属的催化速率就比常规金属的催化速率提高了 10 0 倍。
1.3 量子尺寸效应当纳米颗粒尺寸下降到一定值时,费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级,此时处于分立能级中的电子的波动性可使纳米颗粒具有较突出的光学非线性、特异催化活性等性质。
量子尺寸效应可直接影响到纳米材料吸收光谱的边界蓝移,同时有明显的禁带变宽现象;这些都使得电子空穴对具有更高的氧化电位,从而可以有效地增强纳米半导体催化剂的光催化效率。
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. 研究纳米材料这一特性 ,对发展微电子学器件将具有重要的理论和实践意义.总之 ,纳米粒子的催化特性和它的特定模型密切相关 ,不同纳米晶粒的晶面活性是不相同的. 晶粒形状和不同晶面的暴露程度对催化反应的活性和选择性影响也很大. 纳米微粒粒径的大小对其催化性能也有一定的影响. 随着粒径的减小 ,其表面光滑程度变差 ,形成了凸凹不平的原子台阶 ,这有利于增加化学反应的接触面 ,从而提高催化剂的活性. 采用纳米粒子作催化剂 ,不仅可以控制反应速度 ,大大提高反应效率 ,甚至使原来不能进行的反应也能进行.2. 纳米催化剂的制备制备纳米催化剂主要有物理方法和化学方法。
目前，工业上使用的催化剂基本上都是用化学方法制备的。
在化学方法中，液相化学还原法制备纳米催化剂具有以下的优点：成本低，设备简单且要求不高；反应容易控制，可以通过反应过程中对温度、反应时间、还原剂用量等工艺参数来控制催化剂的晶型及颗粒尺寸；工艺过程相对简单，易于实现工业化生产；通过控制其工艺过程，可以制造出合金纳米材料，金属掺杂工艺也易于实施，从而达到有目的掺杂。
在国外，化学液相法已成为纳米催化剂制备技术发展的主要方向之一。
2.1 溶胶凝胶法主要以金属无机盐或醇盐为前驱体，利用其水解或聚合反应制备金属氧化物或金属非氧化物的均匀溶胶，再将溶胶浓缩成透明胶状；凝胶再经干燥、热处理即可得到纳米颗粒。
该方法具有操作简单、颗粒尺寸集中、化学均匀性好、烧结温度低等优点。
2.2 浸渍法浸渍法通常将载体放入含活性组分的溶液中,待浸渍达平衡后分离出载体,对其进行干燥、焙烧后即得到催化剂,但该方法仅适用于载体上含少量纳米颗粒的情况。
2.3 沉淀法沉淀法是在液相中将化学成分不同的物质混合,再加入沉淀剂使溶液中的金属离子生成沉淀 , 对沉淀物进行过滤、洗涤、干燥或煅烧制得 NCs。