用于多相反应的新型催化剂的结构和性能研究

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  摘 要:综述了贵金属催化剂纳米结构的形成和制备方法,研究了在多相催化反应体系中催化活性与纳米粒子尺寸的关系。
  关键词:催化剂结构 多相催化 纳米结构
  在多相催化领域中,贵金属固体催化剂占有重要的地位,它们广泛应用于石油化工、精细化工、环保催化、生命及生物化学等领域.例如,用于石油重整的 Pt/ Al2O3,Pt2Re/ Al2O3和Pt2Sn/ Al2O3催化剂;用于选择性加氢的 Pd/ Al2O3催化剂。这些贵金属固体催化剂在催化反应中表现出很高的活性和选择性,与催化剂的微观结构及性质密切相关.一般来说,贵金属催化剂中的贵金属主要以颗粒状态存在。对于负载型催化剂,贵金属以颗粒状高分散于载体上;对于非负载型催化剂,贵金属则以高分散的颗粒状态或金属簇形式存在.研究表明,这些贵金属颗粒往往以纳米级形态存在于催化剂中,此时催化剂表现出非常高的催化活性和选择性.这些纳米级微小粒子对于催化反应的重要性促使人们通过各种技术手段对其微观结构进行考察和研究。
  纳米科技是 20 世纪 90 年代发展起来的一门交叉性综合学科,其研究对象主要是 1~100nm 的物质体系及结构,即纳米材料和纳米结构[1]。纳米材料具有超塑性,高强度、硬度和韧性,特殊的比热和热膨胀性能等.这使得纳米材料在许多领域有着广阔的应用前景.依据传统的催化理论,表面活性对于催化反应具有非常重要的意义.材料的性质归根到底是由其微观结构决定的,纳米材料的这些特殊性质是由其特殊结构即纳米结构决定的; 而纳米结构不是纳米材料所特有的,传统的固体催化剂的表面结构也具有纳米级或纳米以下的孔、粒子以及由原子组成的短程有序结构的活性中心等。
  本文将对贵金属催化剂的纳米结构的形成和制备方法、催化活性与纳米粒子尺寸的关系等进行介绍。
  一、贵金属固体催化剂纳米结构的形成
  贵金属固体催化剂纳米结构中,贵金属一般主要以颗粒状存在,这种微小的纳米级粒子的形成需要一定的制备过程及合成方法.传统的一些方法,如浸渍法、沉积沉淀法、离子吸附法、溶胶凝胶法和微乳液法等,被人们广泛地应用于制备贵金属固体催化剂.通过这些方法可以得到负载型或非负载型纳米级贵金属颗粒.浸渍法是制备负载型纳米级贵金属催化剂的最常用的方法,用该方法制得的Au/TiO2催化剂,其金粒子的粒径一般在几纳米到几十纳米间,在浸渍过程中,金物种能够与载体发生强相互作用,即使经过洗涤,它们也能够牢牢地固定在载体上,而且正是这种强相互作用阻止了金粒子在催化剂焙烧过程中烧结长大。沉积沉淀法也是制备纳米贵金属催化剂的有效方法,该方法制得的贵金属粒子一般是几个纳米.在沉积沉淀法中,载体的表面起着沉淀成核剂的作用,通过控制溶液的pH值可使金属直接均匀沉淀到载体上,金属颗粒较小.离子吸附法包括阴离子吸附法和阳离子吸附法,该方法的原理是当溶液的pH值大于载体的等电点时,载体表面带负电荷,可吸附带正电荷的金属离子基团,称为阳离子吸附法; 反之称为阴离子吸附法.该方法的优点是可通过控制载体交换位上离子的数量控制负载金属的粒度,离子数量越少粒子的平均粒径越小。溶胶-凝胶法是20世纪60年代发展起来的材料制备技术,其基本原理是将金属醇盐或无机盐水溶液经水解形成溶胶或形成凝胶后再经解凝形成溶胶,然后使溶质聚合凝胶化,再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分,最后得到无机材料.该方法常用来制备非负载型贵金属催化剂.微乳液法及反微乳液法是利用体系内部的纳米级微乳颗粒作为纳米反应器,控制反应环境,从而制备出纳米级的贵金属粒子.Boutonnet 等 较早地利用微乳液法成功地制備出纳米级Pt 颗粒.后来这一制备技术得到不断发展而逐渐成熟,利用该技术可以制备多种具有纳米结构的贵金属纳米体系,如纳米级的双金属粒子Au/ Pt[2]和 Pt-Ru等。
  随着纳米科技的发展,新技术和新概念不断应用于材料的控制合成中,使人们能够更加精确地合成具有特定微观纳米结构的材料,更加深入地理解纳米结构的形成过程.纳米自组装技术是纳米科技研究的一个焦点,该技术被应用于许多领域,也成功应用于控制合成贵金属催化剂的纳米结构.高分子聚合物常常被用作纳米自组装的单体,这些单体在一定的液体环境中能够自组装形成微球和微胶囊等有序结构;当贵金属负载于其上时,这种有序结构就可以作为一种前驱结构来控制贵金属纳米结构的形成.Liu等[3] 利用高分子共聚物 PtBA-b-PCE-MA 和 PGMA-b-PCEMA 形成的水包油型乳状液作为反应环境(其中后者是水溶性的),油相中的 Pt-BA-b-PCEMA 自组装形成具有有序空间结构的微球,后经加热、光致交联和水解形成具有纳米结构的海绵状固体微球.当这种微球吸附含有贵金属Pd粒子的水溶液后,在还原过程中成为Pd金属粒子的生长环境,限制 Pd粒子的结构和尺度,从而得到纳米级 Pd 粒子。
  具有规则纳米孔结构的新型介孔材料吸引了人们极大的关注,该材料在许多领域具有广泛的用途,最近它又被赋予一种新的用途,作为模板来合成纳米贵金属粒子,利用材料的纳米孔道精确控制金属粒子的大小.Konya 等利用这一技术合成出含有Pt和Au等贵金属纳米粒子的中孔硅材料。
  另外,还有一些特殊的方法,如化学蒸汽沉积法,溶剂化金属原子浸渍法和晶种法等,都成功地用于合成出纳米级贵金属粒子催化剂.总之,随着物理、化学、生物和计算机等相关学科的进步,纳米材料制备技术不断发展,对于贵金属催化剂纳米结构形成的控制手段和方法也日益丰富,具有一定粒径、形状及组成的贵金属粒子催化材料将被合成出来,具有新的物化性质及高催化活性的贵金属催化材料将会出现。
  二、纳米贵金属粒子催化剂的催化活性
  贵金属催化剂的催化活性与其贵金属粒子的大小有着密切的关系.早在 20 世纪30 年代,Kobosev等就进行过研究,后来,Boudart 等提出了多相催化领域中的两个重要概念:结构敏感反应和结构不敏感反应[4]。由此,催化反应按照催化反应中转换频率(TOF)与金属粒子的暴露度(FE)或者粒径(d)之间的关系可分为两大类 :TOF值不随FE值或d值的变化而改变,称为结构不敏感反应,TOF值随着 FE 值或d值的变化而改变,称为结构敏感反应; 结构敏感反应又分为三种情形: TOF值随着FE值的减小或者d值的增大而增加,也就大粒子比小粒子具有更高的催化活性,称为负的结构敏感反应; TOF值随着FE值的减小或者d值的增大而减少,也就是小粒子比大粒子具有更高的催化活性,称为正的结构敏感反应; 还有一种情形就是在大粒子状态下为正的结构敏感反应,而在小粒子状态下为负的结构敏感反应,在这种情况下 TOF值在适当的 FE 值或 d 值下达到最大值.Che等总结出三种典型的TOF值随 FE值或d值变化的规律: 在一些催化反应中,特定的理论晶面具有较高的催化活性,如合成氨反应等一般属于负的结构敏感反应,在 FE > 0.5时更加明显;还有一些催化反应,当 FE < 0.5 时属于结构不敏感反应,而当 FE > 0.5时属于负的结构敏感反应; 一些对于边、角和棱等位置具有较高催化活性的反应,当 FE < 0.5时属于正的结构敏感反应,而当 FE 值较大时属于负的结构敏感反应,只有当 FE 取合适的值时TOF达到最高值.对于贵金属粒子催化剂,从经济角度上讲,贵金属分散度越高,即 FE 值越大,d值越小,越有利.但是,针对上述的第二类反应,提高催化剂上贵金属分散度对反应是不利的;对于上述的第一和第三类反应,虽然提高贵金属分散度对反应有利,但过高的贵金属分散度会使催化剂活性迅速降低,只有贵金属达到适宜的分散度,即FE 值取0.5左右时,贵金属粒子催化剂才能够实现经济性和催化活性的统一,当 FE=0.5时,贵金属粒子的粒径一般在2nm 左右.由此可知,从经济性和催化活性双重角度出发,纳米级贵金属粒子催化剂具有非常重要的意义。   金一直被认为是一种低活性的催化材料,但当金被分散到纳米级时,可表现出很高的催化活性.因此,纳米金催化剂已引起人们广泛的关注,对其研究的数量和内容不断增加和深入,纳米金催化剂已成为纳米催化技术中一个重要代表.纳米金催化剂所应用的一个代表性反应就是一氧化碳的氧化.对于该反应,纳米金催化剂在室温下就能显示出相当高的催化活性,而且在400K以下其催化活性远高于其他贵金属催化剂的活性。
  铂、钯、铑及钌等贵金属与金有所不同,它们即使以大于纳米级的颗粒存在时,对某些特定反应(负的结构敏感类反应) 也具有很高的催化活性.对于正的结构敏感类反应,纳米铂、钯、铑和钌等催剂则显示出非常高的催化活性。
  纳米级贵金属粒子催化剂具有高活性主要有以下两个原因: (1)纳米粒子的表面结构及其几何学特点,(2)纳米粒子的电子特性.随着贵金属粒子尺寸的减小,粒子的比表面积逐渐增大,分散度逐渐升高,表面原子分数逐渐增大.以铂粒子为例,粒径对催化剂表面性质的影响如表1所列.可以看出,直径为2 nm的球形铂粒子的比表面积和表面原子分数(暴露度)分别可达 139 m2/g 和 0.617.如此大的比表面积和表面原子分数使得金属粒子的粗糙度增加,即角、阶和棱等缺陷数量增加,从而使金属粒子的吸附性质明显有别于光滑表面的性质.更为重要的是,这种纳米级的金属粒子表面往往会出现更多的具有特定结构的高催化活性位 (活性中心),如B5 型活性中心[5]。这些表面结构和几何学特点对催化反应是非常有利的。
  另外,由于纳米金属粒子中原子数目是有限的,其电子特性是自由原子分立能级与体相金属连续能带之间的过渡状态.在大的金属粒子中原子的电子能级彼此很接近,它们相互重叠而形成能带.能带中相邻能级之间的距离(δ)的估算公式为: δ≈εF/ N,式中εF代表费米能级,N代表金属粒子中的原子数.当相邻能级之间的距离大于热能kT时,能级开始分立,能带消失,金属粒子失去其金属性质.经计算,室温下N约为 400 时,金屬粒子的金属性质消失.此时的金属粒子大小为2nm左右.由此可知,2nm 是贵金属粒子电子性质发生重要变化的临界尺寸;这一临界尺寸的纳米贵金属粒子完全或部分失去其金属性质.这种电子特性直接影响金属与吸附原子或分子之间的相互作用能力,也是其具有特殊或较高催化活性的另一个重要原因。
  三、展望
  纳米体系是从宏观尺寸过渡到分子级和原子级的桥梁,其在电子、磁、光学及其它物化性质方面有着自身显著的特点.在纳米体系催化剂上,其独特的表面结构和电子性质决定了反应物同活性组分表面相互作用的性质,并最终决定了多相催化中纳米体系的活性和选择性.以纳米粒子催化剂为例,其催化活性和产物选择性强烈地依赖于粒子的大小、形状、表面结构、电子性质以及它们的体相和表面组成.对于纳米贵金属粒子催化剂体系,尤其是金催化剂的研究已经充分证明了这一点.随着纳米体系催化剂组成及结构表征手段和技术的发展,人们将在分子水平上更清楚地了解催化活性与催化剂表面结构的关系.进而随着纳米体系制备技术的发展,人们将能够根据自己的意愿和实际反应的需要去设计和制备催化剂,例如控制载体的孔道,负载组分粒子的大小、形状,以及活性中心的组成和结构。
  参考文献
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