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纳米材料及技术在催化领域的应用

催化

纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓

厚兴趣。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独

特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带

来新的机遇。由于纳米粒子表面积大、表面活性中心多，所以是一种极好的催化材料。将普通的铁、

钴、镍、钯、铂等金属催化剂制成纳米微粒，可大大改善催化效果。在石油化工工业采用纳米催化材

料，可提高反应器的效率,改善产品结构，提高产品附加值、产率和质量。

1纳米催化剂的制备方法

纳米催化剂的制备方法一般有化学法和物理法两类。

1.1化学方法

1）沉淀法

通过化学反应使原料的有效成分沉淀，经过滤、洗涤、干燥、加热分解而得到纳米粒子。包括

直接沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法、配位沉淀法等，其共同特点是操作简单方便。

2）水解法

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。

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，不足之处是原料成本高。

3）溶胶—凝胶法

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。

4）微乳液法

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。

5）电化学沉积法

K.B.Kokoh,FHahn等报道，采用循环伏安法，以铂片为工作电极,在包含钌、锇离子的硫酸溶

液中制备Pt-Ru，Pt-Os纳米电极。田娟等人通过循环伏安法电沉积使直径约为7nm的Pt纳米粒子均

匀地分散于多孔硅表面，拟用作微型质子交换膜燃料电池的催化电极。与刷涂法相比较，电沉积Pt

纳米粒子的多孔硅电极(Pt/Si)呈现出高的Pt利用率和增强的电催化活性。

1.2物理法制备纳米催化剂

1）惰性气体蒸发法

在低压的惰性气体中，加热金属使其蒸发后形成纳米微粒。纳米微粒的粒径分布受真空室内惰

性气体的种类，气体分压及蒸发速度的影响，通过改变这些因素，可以控制微粒的粒径大小及其分布。

该方法适应范围广，微粉颗粒表面洁净，块体纯度高，相对密度较高；但由于为了防止氧化，制备的

整个过程是在惰性气体保护和超高真空室内进行的，设备昂贵，对制备工艺要求较高，故制备难度较

大；且加上制备的固体纳米晶体材料中都不可避免地存在杂质和孔隙等缺陷，从而影响了纳米材料的

性能，也影响了对纳米材料结构与性能的研究。

2）粉末冶金法

把纳米粉末经过加压成块、烧结，从而获得块体纳米晶材料。制备过程主要控制压力和烧结工

艺参数。由于纳米粉体颗粒尺寸小、表面能高。高的表面能为原子运动提供驱动力，有利于块体材料

内部空洞的收缩，故在较低的烧结温度下也能使块体材料致密化。但该法也存在晶粒尺寸容易长大、

尺寸分布不均匀、微孔隙、致密度较低等问题。

2纳米材料在催化领域的应用

纳米催化剂具有表面效应，吸附特性及表面反应等特性，因此纳米催化剂在催化领域的应用十

分广泛。实际上，国际上已把纳米粒子催化剂称为第四代催化剂。我国目前在纳米材料的研究应用水

平在某些方面处于世界领先地位，已实现产业化的SiO、CaCO、TiO、ZnO等少数几个品种，这些制

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备出来的纳米材料在催化领域中主要用于两个方面：一是直接用作主催化剂，二是作为纳米催化剂载

体制成负载型催化剂使用。

2.1石油化工催化领域

由于纳米材料颗粒的大小可以人工控制，又由于尺寸小,比表面积大，表面的键态和颗粒内部不

同及