第八章 纳米催化剂

论文要求：

1、题名：纳米催化材料方向，包括制备、表征及其催化性质(可以侧重于制造和催化）3、格式请严格按照论文格式要求。注意英文文献格式；4、提交方式：班级以电子文档形式统一提交，论文以个人学号命名（bbxylzq@163.com)5、提交时间：21月22日前2、内容要求详实、系统，作者进行总结，不准大面积抄袭；固体超细微粒与催化剂

凝胶法及微乳化技术

气相沉积法膜催化剂

化学镀第8章纳米催化材料

纳米材料在催化领域中的研究进展纳米材料是指尺度为l－100nm的超微粒径压制、烧结或溅射而成的聚集态固体。它断裂强度高、韧性好、耐高温。由于纳米粒子具有许多传统固体不具有的特异性质，如特异的化学、机械、电子、磁学等性能，从而引起国内外研究界的高度重视，纳米材料被称为“二十一世纪的新材料”。1、光学性质纳米材料的尺寸小

于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色事实七，所有的金属住超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂(白金)变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。2、热学性质当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减小到l0纳米尺寸时，则降低27度，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃3、磁学性质颗粒小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80A／米，而当颗粒尺寸减小到20nm微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。4、力学性质纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明，随着晶粒的减小，在初始阶段（类似于纯金属）发生硬化，进一步减小晶粒，硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的，但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化，如晶界、致密性、相变、应力等，都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。5、隧道效应

由能带理论可知，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的，从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之的联系与区别，对纳米材料能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应，例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。纳米材料在催化领域中的研究进展由于纳米晶粒的比表面积大，表面原子比率大，使体系的电子结构和晶体结构明显改变，表现出特殊的电子效应和表面效应，而掺杂微粒元素改变体系的物理、化学性质则更为有效。如日本学者林丰治将超细镍粒子Ni—UFP(30nm)与Baney—Ni催化环辛二烯加氢生成环辛烯的反应进行了比较，发现前者比后者活性高2倍以上，选择性高5倍以上。纳米材料在催化领域中的研究进展从目前研究来看，纳米粒子对催化氧化、还原、聚合、裂解、异构等反应都具有很高的活性和选择性，对光解水制氢和一些有机合成反应也有明显的光催化活性。国际上已把纳米材料催化剂称为第四代催化剂。它在催化中的应用更为催化工作者展示了一个趣味盎然富有活力的研究领域。纳米材料在催化领域中的研究进展纳米粒子催化剂的研究现状从现有的制备技术上看，纳米催化剂有以下几种类型，◆金属纳米粒子催化剂，如铂、钯、铑、银、钴、铁等纳米粒子催化剂。◆金属氧化物纳米粒子，如ZnO、Ti02、MgO、NiO等纳米粒子催化剂。

◆金属氧化物为载体的催化剂。纳米材料在催化领域中的研究进展纳米催化剂的制备方法

化学法

物理法纳米材料在催化领域中的研究进展化学法纳米催化剂的制备方法◆溶胶一凝胶法

溶胶—凝胶法一般是以金属盐或半金属盐做前驱体，将适当的烷氧化物如四甲氧基硅烷与水、酸性或碱性催化剂和共溶剂在搅拌或超声下，进行水解和缩聚反应形成Si02三维网络结构。在成胶的过程中，引入的金属组分包埋在三维网络结构中。再进行凝胶的老化过程，即将凝胶浸于液体中，聚合反应继续，凝胶的强度增加。最后通过干燥，将溶剂从相互交联的多孔网格中蒸发掉，最后得到纳米尺寸的网格结构。纳米材料在催化领域中的研究进展化学法纳米催化剂的制备方法◆电化学沉积法以铝在4％磷酸介质中直流电解形成的分布均匀的多孔氧化铝膜为模板，放人镍盐进行交流电沉积，并通过化学镀镍得到镍，将镀覆好的样品剪去四周边缘，置于氢氧化钾溶液中，溶解掉末氧化的基质铝及部分氧化铝，制备得到镍纳米线电极。镍纳米线电极表面分布着直径为70—80nm的纳米线。镍纳米线电极对乙醇氧化有较高的催化活性。纳米材料在催化领域中的研究进展化学法纳米催化剂的制备方法◆水解法

水解法是以无机盐和金属醇盐与水反应得到氢氧化物和水化物的沉淀，再加热分解的方法。◆沉淀法采用沉淀法制备了以单晶硅为支撑的硫酸化氧化锗纳米晶薄膜，用于催化轻质烯烃的异化。将0.1108g(0.667mmol)的对苯二甲酸(H2BDC)溶于5ml1mol/L的NaOH溶液中，搅拌直至完全溶解后,逐滴加入1mol/L的盐酸溶液调PH至中性；将0.595g(2mmol)的Zn(NO3)2·6H2O溶于5ml去离子水中。充分混合上述两溶液并搅拌10min，得到白色粉末状固体。抽滤，样品分别进行水洗(3×10ml)和醇洗(3×10ml)，70℃真空干燥4h。

纳米材料在催化领域中的研究进展物理法纳米催化剂的制备方法◆惰性气体蒸发法惰性气体蒸发法是在低压的惰性气体中，加热金属使其蒸发后形成纳米微粒。◆氢电弧等离子体法纳米材料在催化领域中的研究进展纳米催化剂的应用◆纳米催化剂在加氢催化反应中的应用△1—己烯催化加氢制己烷纳米钯(5nm)负载于Ti02上得率为100％，催化剂只能得到29．7％的己烷、21．6％的己烯异构体和48．7％的1—己烯。△芳烃加氢反应纳米镍、铈在气相苯加氢反应中具有高的选择性和热稳定性。△丁二烯选择性加氢反应纳米钯／A1203加氢活性和选择性明显高于化学浸渍法制备的钯／A1203。纳米材料在催化领域中的研究进展纳米催化剂的应用◆纳米材料在电催化反应中的应用△Ni—Mo等合金纳米晶催化剂，替代金属铂应用于析氢反应中，取得很好的效果。△铂纳米材料电催化有机酸还原反应纳米材料在催化领域中的研究进展纳米催化剂的应用◆纳米催化剂在化学电源中的应用△纳米催化剂在化学电源中应用研究主要集中在把纳米轻烧结构体作为电池电极。采用纳米轻烧结体作为化学电池、燃料电池和光化学电池的电极，可以增加反应表面积，提高电池效率，减轻重量，有利于电池的小型化。例如镍和银的轻烧结体作为化学电池等的电极已经得到了应用。纳米材料在催化领域中的研究进展纳米催化剂的应用◆纳米催化剂在环境保护中的应用△

锐钛矿型纳米TiOx是具有优良的光催化性能的催化剂，在环境保护方面取得了很好的效果。利用人工采光和纳米氧化钛催化剂，能将工业废液和污染地下水中的多氯联苯类分解为C02和水。迄今已知，纳米TiO2能处理80多种有毒化合物，包括难以用生物降解法处理的纺织印染工业和照相工业的污染物、有毒溶剂、农药、木材防腐剂、染料及燃料油等。纳米材料在催化领域中的研究进展纳米催化剂展望对纳米催化剂的制备和应用研究已经引起了国内外专家学者的极大关注，也取得相当的成就，但在纳米催化剂的制备实现工业化、商品化上，需要进一步深入研究。主要表现在：(1)现有的制备技术还不够成熟，已取得的成果还停留在实验室和小规模生产阶段，对生产规模扩大时涉及到的工程技术问题认识不够；(2)能够工业化生产纳米催化剂的设备有待进一步研究和改进，以提高产量并降低粉末的成本；(3)纳米催化剂的性能稳定控制技术尚未掌握，粉末在空气中极易氧化、吸湿和团聚，性能很不稳定，给为纳米催化剂的工业化应用带来了障碍，并且降低了其使用性能。这些问题是今后研究纳米催化