催化化学综述

催化化学在纳米技术研究发展中的应用催化化学在纳米技术研究发展中的应用 学生姓名 学生姓名 林林 稳稳 专专 业 业 材料化学材料化学 年年 级 级 1010 级级 学学 号 号 10081100151008110015 2013 年 6 月 19 日 催化化学在纳米技术研究发展中的应用催化化学在纳米技术研究发展中的应用 摘摘 要 要 本文概述了催化化学在纳米技术研究发展中的应用 现如今催 化化学不断深入纳米技术方面的研究 例如碳纳米管 发光传感器 及超声技术等方面的研究 正是由于了催化化学的催化等方面的技 术使得人类在纳米科学方面得到了更高效 更迅速的发展 关键字 催化化学 纳米 碳纳米管 发光传感器 超声技术 一 前言 化学是一门能满足社会需要的中心科学 催化化学则是化学科 学中至关重要的优先领域之一 它不仅研究催化剂在物质转化过程 中的催化作用 而且研究伴随着物质转化时 催化剂对能量变化以 及不同形式能量相互转化的催化作用 在社会生产实践过程中 人们首先发现许多催化事实 随着对 这些事实的观察 积累和思考 必然促进催化理论的形成 催化理 论的创立能指导人们主动去研究更多的催化作用过程 而催化事实 的发现和催化理论的创立却都离不开先进的科学研究方法的发明 研究方法的科学化 仪器化 数据化 动态化则需要化学和其他相 关科学进步和技术发明作后盾 因此发现催化事实是催化化学发展 的基础 催化理论的创立成为衡量催化化学前沿水平的标志 科学 的研究方法是揭示催化作用本质不可缺少的手段和工具 二 正文 技术进步有两条途径 连续性技术进步和非连续性技术进步 一般说来 技术进步都要经历一个 S 型的发展周期 每种技术都有 其发展极限 当技术达到或接近其成熟阶段时 要想取得显著进展 将变得十分困难 这时技术的进一步发展 将通过另一条途径 非连 续性技术进步 即转移到一个全新的 完全不同的知识体系上 因 为后者往往会带来重大技术突破的机会 非连续性技术进步主要来 自原料路线的改变和新催化反应流程的开发 利用廉价易得的原料 并遵循原子节约反应 即将反应物中的原子极大限度地出现在产物 中 尽量减少反应步骤 在生产过程中尽可能不采用那些对产品的 化学组成来说没有必要的原料 这样不仅节省原料 提高产率 而 且减少废弃排放 从本源上消除污染 从经济上和环保上都是很有 意义的 要实现这样的绿色合成反应 只有依靠各种形式的催化过 程 如化学催化 生物催化 择形催化 电催化 光催化等 让我 们来分析一下当前比较集中关注的相关催化化学方面的问题 1 碳纳米管催化化学 纳米碳管 CNTs 由于其独特的结构和优异的力学 电学及化学 特性 成为近 10 多年人们研究的热点之一 这些性能使它在场发射 分子电子器件 修饰电极 复合材料增强剂和催化剂载体等众多领 域都有很大的应用前景 在开发出的众多合成方法中 催化化学气 相沉积法因具有反应条件温和 设备简单 可大量 连续生产且产 率高等诸多优点 受到人们的重视 成为制备纳米碳管的主要方法 许多研究者发现 制备纳米碳管的工艺条件 如反应温度 碳源 催化剂 活性组分的种类 载体和制备方法等 反应气氛和反应时间 等对纳米碳管的产率和形貌都有一定的影响 如何通过改变工艺条 件来提高纳米碳管的产率 改善纳米碳管的形貌 对纳米碳管的工 业化制备有着重要意义 本实验的目的就是通过正交实验 考察不 同的反应条件对纳米碳管生长过程的影响 找到催化化学气相沉积 法制备纳米碳管的最优工艺参数 采用正交实验对催化化学气相沉积法 CCVD 制备多壁纳米碳管 CNTs 的反应温度 反应时间和气相物料之比进行了考察 给出了 优化后的工艺参数 通过 X 射线衍射仪 热失重分析 拉曼光谱分析 和透射电镜等检测方法 对产物进行了分析 结果表明 最佳反应 条件组合为 VCH4 VN2 VH2 4 0 1 反应温度为 600 反应时间为 60min 因素对碳产率影响的主次顺序为反应温度 VCH4 VN2 VH2 反应时间 1 现在各国的科学研究表明 碳纳米管在科技生产中有着重要的 运用 碳纳米管在未来的运用会越加广泛 生产碳纳米管的技术也 运用于工厂中了 但是生产工艺还需更进一步的研究 这样的话使 用化学催化就是必不可少的途径 2 超声技术中的催化化学 功率超声技术是以物理 机械振动 电子和材料等学科为基础 的高新技术 以超声能量使物体或物性的某些状态发生变化的技术 由于超声清洗 超声处理 声化学和超声治疗等的需要超声空化现 象的研究一直是超声界讨论的热点 超声波的波长范围大约在 10 3 10cm 远大于分子尺度 因此超声的化学作用不是直接与物质作 用 而是主要通过液体的空化作用完成 所谓空化是指液体在高强 度的超声作用下 液体中的微小气泡核在超声波作用下产生振动 当声压达到一定值时 气泡将迅速膨胀 然后突然闭合 在气泡闭 合时产生冲击波 这种膨胀 闭合和振荡等一系列动力学过程称超 声空化 空化在局部瞬时产生 5000K 以上的热点 同时压强高达上 百个 MPa 超声空化所引发的物理 机械 热效应 生物效应和化 学效应等在工业上具有广阔的应用潜力 因此 功率超声的许多应 用 设备的开发与超声空化机理分不开 2 近年来 超声技术在催 化化学研究领域的应用取得了较快的发展 本文主要从三个方面介 绍超声技术在催化化学中的应用 1 超声在催化纳米材料制备上 的应用 2 在催化剂上负载活性组分的应用 3 在催化非均相 反应中的应用 功率超声是超声学中重要的传统研究方向 随着科学技术的发 展 超声技术在催化化学中的应用与日俱增 由于超声作用清洁 卫生 没有污染 具有广阔的应用前景 国外学者在超声生物合成 超声生物降解 纳米粒子的制备方面都取得了重大的突破 超声技术在催化化学研究领域已取得了一些进展 显示出其独 特的性能 为催化材料的制备提供了新途径 突破了传统的方法 超声波反应器在超声应用方面具有决定性的作用 应该重点发展新 型的超声波反应器 以适应不同的需要 3 3 纳米催化化学发光传感器 4 纳米科学技术是 20 世纪 80 年代末期崛起并迅速发展起来的新 科技 纳米材料指在尺寸大小在 1 100nm 的材料 当材料尺寸进入 纳米量级时 其本身具有量子尺寸效应 小尺寸效应 表面效应和 宏观量子隧道效应 因而纳米材料具有许多特有的物理化学性质 在化学上有着广泛的应用前景 与普通的块体材料相比 纳米材料 具有较大的比表面和催化活性 因此纳米材料有可能成为催化化学 发光的主要功能材料 这里就纳米催化化学发光传感器的研究进行 综述 主要包括乙醇传感器 氨传感器 硫化氢传感器以及糖类传 感器 由于这类传感器不需要光源 因此易于微型化 寿命长是这类 传感器的另一个特点 由于这种全固态的化学发光传感器与传统的 化学发光传感器不同 没有发光试剂不断被消耗和脱落的缺点 因 此具有非常好的稳定性和寿命 可以预见 纳米材料作为催化剂的 无损耗特点将为自动在线连续分析和化学发光传感器敏感系统的长 寿命响应提供进一步发展的空间 同时 由于其强烈的发光特性和 易微型化的 特点 采用高灵敏度的检测技术 有可能设计出具有纳米级大 小的探头 在芯片检测方面有一定的前景 其延伸方向如下 1 设计基于化学发光原理的纳米传感器 只要检测器足够灵敏 从原理上可以设计出纳米尺寸的微型传感器 2 设计多维纳米阵列测试器件 选择一组性质各异的纳米粒子 组成阵列 根据不同结构的有机分子在其表面产生的多维特征图谱 纳米点 强度 波长 温度 鉴别各类有机分子 3 纳米催化剂的活性表征 由于化学发光强度与催化剂活性有 关 依据发光强度可评价催化剂的活性 4 催化化学与经济社会的发展 现代工业社会 化学家每年都在实验室制造出成千上万种化学 产品 大约以每周制造 7000 种新化学物质的速度在增加着 使地球 表面出现了许多前所未有的新物质 并在环境污染中迁移 转化 降解 从而势必打破工业社会之前地球环境的化学平衡 引起系列 生物化学效应 甚至危及人类的健康和生态平衡 造成意想不到的 恶果 现代文明社会在给人类创造巨大物质财富的同时 也带来了 环境的污染与破坏 应该看到在造成地球环境污染的诸因素中 以 化学污染所占的比例最高 约达 80 90 事实上化学成果已经 不可逆转地改变了人类的生活方式 整个世界已经不可能再退回到 化学技术广泛应用以前的状态 解铃还需系铃人 化学在造成污染 的同时 也担负着治理环境的全副重担 从长远利益看 更重要的 是化学发展与环境治理不应该是对立的 而是相辅相成的关系 环 境治理也为催化化学的发展提供更加有利的条件 因为 公众要求净 化环境的呼声有希望成为化学品和化学工艺打开若干先前在经济上 没有吸引力的新的应用 例如净化水质 回收废品和潜在有用的废 弃物的再循环利用方面 以及在创造可被生物降解的或更少毒性的 因而在生态上是作为更良性的新材料 在环保催化领域 催化剂的使用条件要比通常用于化学合成的 催化剂苛刻得多 因为反应物与催化剂接触时间短 目的化合物浓 度低 在 级障碍物质存在下处于 ppm ppb 级 而且这些条件随时 间而变 所以环保催化剂必须具有极高的活性 选择性并具有一定 的使用寿命 这就需要催化化学的创造性的努力 5 三 总结 创新是一个民族进步的灵魂 是国家兴旺发达的不竭动力 是 科技发展的生命力所在 20 世纪催化化学成就有目共睹 随着新世 纪的来临 社会的可持续发展及其所涉及的能源 环境 资源 经 济等方面的问题将越来越成为国际社会关注的焦点 被提到发展战 略的高度 这也为催化材料的开发和催化技术的应用提供了广阔的 活动范围 并将成为一种高科技产业 环境的经济性正成为催化化 学创新的主要推动力 应该让催化剂成为一种产业走进生活 走进家庭 如家电用环 保催化剂 烹调器用自净化催化剂 光催化空气净化剂 催化燃料 电池 汽车尾气净化剂等 让现代人享受物质文明的同时 又各自 担负着消除污染节约能源 净化环境的职责 随着催化科学技术的 发展 这些美好的设想将逐步变成现实 催化化学在能源 环境产 业中也将发挥巨大的作用 因此 适当掌握一些关于催化剂及催化过程的知识是非常必要 的 催化化学是一门面向化学类专业大学学生的一门学科 其目的 主要是使学生了解催化化学的基础知识以及最新发展动向 通过学 习 提高学生对化学和化工领域的环境友好的意识 为今后