石油石化科技
美科学家揭开催化剂“神秘面纱”
2009/11/20
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来源：中国石油石化工程信息网
据称该发现能提高催化效果减少温室排放
[中国能源报2009年11月16日] 近日，来自美国犹他州大学的化学家们信心满满地宣布他们发现了催化剂固体表面的颗粒大小、电子特性以及加快反应速率能力间的某种联系。这个发现不仅能够使得在能源工业领域被普遍使用的催化剂变得更便宜、高效，同时还能减少温室气体的排放。
揭开催化剂的“神秘面纱”
催化剂可以加快化学反应的速率，但本身的化学性质和质量在反应前后不发生任何变化。目前催化剂被广泛地应用在各个领域。所以说世界经济依赖于它们一点也不为过。
斯科特·安德森，犹他州大学化学教授，同时也是该技术的主要研究者。在不久前的《科学》上，安德森教授发表文章写道：“催化剂最让人搞不懂的就是多大的粒子才能够起到催化反应的作用。如果我们能够找到影响催化剂活性的关键因素，那么我们就能拥有成本更低效果却更好的催化剂。”
“大多数催化剂使用的都是贵重金属，比如金、钯、铂等。这些昂贵的催化剂往往都是由大体积粒子构成的，但是这些大粒子都是惰性粒子，只有体积在纳米单位的粒子才是活性粒子。这意味着那些昂贵的催化剂其实超过90%的部分在化学反应中起不到任何作用。如果我们能够制造出粒子大小完全符合要求的催化剂，那么我们能节约90%的成本，也许更多。”
“另外，如何用铜、镍、锌等廉价金属代替贵重金属也是一个我们很想要研究的课题。”安德森说道，“我们研究的主导思想就是改变催化剂的化学性质，也就是改变其电子特性，因为正是电子在控制着化学反应的进行。”
“简单说来，这个研究就是要调整惰性粒子的大小，使它们具备催化能力。而这项研究的关键就是探索和测出催化剂中适合进行催化反应的粒子大小，以及为什么这样的粒子具有催化功能。”
目前，安德森和他同事们的研究已经取得了实质性的进展。他们已经通过改变催化剂粒子大小的实验来得到他们想要的催化剂特性，并在催化剂表面得到了“纳米粒子”。这些粒子的发现不仅能够使科学家改变催化剂中大粒子的催化能力，还对了解其内部的电子结构有很大帮助。
粒子大小影响催化活性的原理
其实将催化剂中金属粒子缩小到纳米等级后它仍然维持大分子的特性，但是当它被缩小到10纳米左右后，由于其中电子的活动空间被缩小，所以相对地其活性也就得到了加强。
早先就已经有实验证明，气体催化剂中的电子和其化学性质会随着催化剂粒子大小的改变而改变，但是对于固体催化剂来说，情况还是有很大差别的。
而且由于过去对于固体催化剂的实验包括了各种大小各异的粒子。所以对于单一粒子如何起到催化作用以及其电子特性科学家们并没有很清楚的认识。
安德森是美国第一个将金属催化剂粒子按大小排序并且证明其催化能力确实随大小改变而改变的化学家。
安德森表示，他的实验不仅证明了催化剂活性会随粒子大小改变而改变，同时也发现粒子大小与电子有一定的关联性。尽管科学家们早就有此猜测，但之前却没有明确的证据来支持这一观点。
改良催化剂对能源产业意义重大
在谈到该实验的现实意义时，安德森表示：“催化剂对于世界经济有着不可忽视的作用，它被应用于许多工业制造加工的过程中。尤其在能源领域，汽油制造、聚合物的污染处理等都广泛使用着催化剂，天然气加工，煤或其他生物质能转化为液体燃料的过程中也会用到催化剂。”
除此之外，催化剂在减少温室气体排放上也有很多重要的应用。比如安装在机动车上的催化式排气净化器就使用了催化剂。这些催化剂的金属粒子大小都在微米和纳米之间。该装置能有效减少机动车的尾气排放。
美国能源部的资料显示，90%以上的美国化学制造加工业都使用催化剂，20%以上的工业产品也都用到催化剂。在这些生产过程中不仅要消耗很多能源，同时还会排放大量的温室气体。据统计，美国21%的碳排放都来自工业部门，其中化学工业的碳排放占了3%。
北美催化剂产品协会表示全球GDP的35%以上都有催化剂的贡献，而这些贡献主要来自于汽油、柴油等燃料的制造，因为这些燃料的生产都依赖于催化剂的作用。
“发明更廉价高效的催化剂对于能源产业，不论是能源的获取、转化或是储存环节来说都意义重大。因为新的催化剂不仅能减少污染还是能提高能源转化效率，对发电也有积极作用。”北美催化剂产品协会主席亨利·怀特说。
