固体催化剂制备方法及计算化学在催化剂研究中的应用

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1、固体催化剂制备方法及计算化学在催化剂研究中的应用摘要：固体催化剂制备技术是催化剂研发的一个重要方向。综述了近年来几种固体催化剂常规制备方法，包括溶胶－凝胶法、微波法、微乳液法、等离子体技术、超临界流体法、生物还原法等方法。在文中还介绍了计算化学在催化剂研究中的相关应用。关键词：固体催化剂制备方法计算化学进展催化剂曾称触媒，是一类改变化学反应速度而在反应中自身并不消耗的物质。催化剂在现代化学工业、石油化工、能源、制药和环境保护中起着非常重要的作用，从大规模的石油化工生产到精细的高分子化工、制药过程

2、，绝大部分的化学反应过程都需要催化剂的参与，因此，催化科学技术与国家经济发展、环境保护和人民生活改善紧密相关。一、固体催化剂制备方法介绍催化科学技术领域的研究包括了新催化过程和新催化剂的开发、催化剂性能的改进、催化剂制备方法的改进和开发、催化剂表征技术的开发等众多方向。固体催化剂制备方法的研究开发作为催化剂制备技术研究中重要的方向之一，一直以来都备受国内外科研人员的重视，近年来不断有新的研究成果问世。本文通过对近年来国内外相关文献的查阅和归纳总结，对溶胶－凝胶法、微波法、微乳液法、等离子体技术、

3、超临界流体法等几种关注度较高的固体催化剂常规制备方法的研究进展进行了概述。1、溶胶-凝胶法溶胶－凝胶法又称胶体化学法，是指金属化合物(无机或有机)经过溶液、溶胶和凝胶而固化，再经过热处理而形成氧化物或其他固体化合物的方法。采用溶胶凝胶法可以使无定形或介态的氧化物达到分子级混合，活性组分(金属或金属氧化物)能够有效地嵌入网状结构，不易受到外界影响而聚合长大，有利于提高催化剂的稳定性和分散性。图1溶胶凝胶法制备催化剂的工艺流程简图目前，溶胶－凝胶法已经在催化剂制备领域获得了大量的研究和应用，但也仍存

4、在制备成本较高、工艺过程较长、凝胶后处理条件对制品影响较大以及一些工艺原料可能对人体及环境有害等缺点，如何进一步改良溶胶－凝胶技术，克服上述的缺点，扩大其工业应用范围也是今后研究的重点之一。2、微波法20个世纪80年代以来，微波技术在催化领域中的应用获得了较快发展，经过多年的研究开发，微波法已成为了催化剂制备和活化的一种重要新方法。目前，微波法在催化剂制备方面的主要应用有：①分子筛的合成；②在催化剂载体上负载活性组分；③载体的改性及新材料的合成。以上各应用在此不再赘述。目前，微波促进化学反应机理

5、方面的研究还很欠缺，如微波在催化剂或催化剂载体的制备过程中，微波是否仅存在致热效应，还是存在着更为复杂的非热效应，其相应的机理是怎么样的，都还未有定论，需要做更深入的研究。3、微乳液法微乳液是由水、油、表面活性剂及助表面活性剂等组分在适当配比下自发生成的一种外观透明、低黏度的热力学稳定体系。微乳液具有表面张力超低、质点粒径小(10~100nm)、热力学稳定性好、增溶量大、各向同性等特点，可将类型广泛的各种物质增溶到其中某一相，因此，可作为各种反应的介质。微乳液的结构类型有3种，即水包油型、油包水

6、型和油水双连续型。近年来还开发了含有离子液体或超临界物质的新型微乳体系。制备纳米催化剂所用的微乳体系一般采用油包水型。微乳液的质点粒径小(10~100nm)的特点为制备设计大小及形状可控的纳米粒子提供了条件。微乳液中的微团体系是动态的，质点象分子一样不停运动，不同质点碰撞后连接成一体，进行物质交换后在表面活性剂的作用下又重新分散，此时，微团内包含的反应物相互混合发生化学反应。体系中的水核可以认为是一种“微反应器”或“纳米反应器”，提供适合的环境控制微粒的成核及生长。在微粒后期的生长过程中，表面活

7、性剂能够有效阻止生成的纳米微粒发生团聚。采用微乳液法制备金属纳米粒子可以有效控制颗粒大小，并且制得的粒子尺寸均匀，催化性能良好。采用微乳液法制备金属氧化物催化剂，研究较多的是TiO2及其复合氧化物的制备【14-15】。同时，其他金属氧化物催化剂也可以使用微乳液法制备。微乳液法具有广泛适应性，对制备的粒子大小具有良好的可控性，为纳米催化剂的制备提供了一种优良的方法。应用微乳液法可以制备类型多样、性能优良的催化剂。目前，微乳理论知识尚不完善，制备过程中的影响因素较多，大多只能通过经验来控制，微乳体系

8、内的反应机理和反应动力学等问题还有待于深入的研究。4、等离子体技术等离子体是电子、离子、原子(基态或激发态)、分子(基态或激发态)和自由基等粒子组成的集合体，常被视为物质的第四种存在状态。国内外对利用等离子体制备催化剂进行了广泛深入的研究，取得了良好的成果。等离子体在催化剂制备中的应用主要有两个方面：(1)利用等离子体合成或等离子体喷涂技术直接制备催化剂。(2)在常规催化剂制备的基础上，利用等离子体技术对催化剂进行表面改性。具体过程如下【20】：使用浸渍法将活性金属负载到载体上，然后进行干燥，之