催化劑的重要性

出于多種原因，催化劑至關(guān)重要。首先，它們顯著加速化學(xué)反應(yīng)，使工業(yè)過程更加高效且更具成本效益。如果沒有催化劑，許多反應(yīng)將發(fā)生得太慢或需要極高的溫度和壓力，從而使其不切實際或不經(jīng)濟(jì)。

其次，催化劑能夠?qū)崿F(xiàn)選擇性反應(yīng)，從而能夠生產(chǎn)特定的化合物，而不會產(chǎn)生不需要的副產(chǎn)物。這種選擇性對于藥物、農(nóng)用化學(xué)品和其他復(fù)雜分子的合成至關(guān)重要。

第三，催化劑有助于環(huán)境可持續(xù)性。它們促進(jìn)更清潔的反應(yīng)，減少浪費和能源消耗。此外，它們在污染控制方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如在消除汽車尾氣中有害排放物的催化轉(zhuǎn)化器中。

催化劑的類型

催化劑大致可分為兩類：均相催化劑和非均相催化劑。

均相催化劑與反應(yīng)物存在于同一相中。它們通常由溶解在液體溶液中的金屬離子、酸或堿組成。均相催化劑具有高效性和選擇性，但其從產(chǎn)品中的回收和分離可能具有挑戰(zhàn)性。

另一方面，多相催化劑與反應(yīng)物存在于不同的相中，通常以固體形式存在。它們具有易于分離和重復(fù)使用的優(yōu)點。常見的例子包括金屬表面、金屬氧化物和沸石。然而，它們的活性和選擇性可能受到多種因素的影響，例如表面積、粒徑和溫度。

催化劑的應(yīng)用

催化劑在眾多工業(yè)和自然過程中有著廣泛的應(yīng)用。

在化學(xué)工業(yè)中，催化劑用于生產(chǎn)氨、和聚合物等基本化學(xué)品。例如，將氮和氫轉(zhuǎn)化為氨的哈伯-博世工藝依賴于鐵基催化劑。

在石油工業(yè)中，催化裂化和重整是將原油精煉成汽油、柴油和其他石化產(chǎn)品的重要過程。沸石和鉑基化合物等催化劑可分解較大的碳?xì)浠衔锓肿?，并將其重新排列成更有價值的產(chǎn)品。

在生物學(xué)中，酶充當(dāng)天然催化劑，加速生物體中的生化反應(yīng)。酶以卓越的效率和特異性促進(jìn)消化、代謝和 DNA 復(fù)制等過程。

在環(huán)境保護(hù)方面，催化劑有助于減輕污染并促進(jìn)可持續(xù)實踐。汽車中的催化轉(zhuǎn)化器將一氧化碳、氮氧化物和碳?xì)浠衔锏扔卸練怏w轉(zhuǎn)化為危害較小的物質(zhì)。此外，催化劑還用于廢水處理和綠色能源技術(shù)，例如燃料電池和太陽能電池。

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摘要：這里系統(tǒng)地介紹了國內(nèi)外多種催化劑新技術(shù)、新材料和新產(chǎn)品發(fā)展動態(tài)和發(fā)展趨勢，針對我國催化劑技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對催化劑行業(yè)的發(fā)展提出了自己的見解。

1.前言

催化劑的主要作用是降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，加快反應(yīng)速度，因此被廣泛應(yīng)用于煉油、化工、制藥、環(huán)保等行業(yè)。催化劑的技術(shù)進(jìn)展是推動這些行業(yè)發(fā)展的有效的動力之一。一種新型催化材料或新型催化工藝的問世，往往會引發(fā)革命性的工業(yè)變革，并伴隨產(chǎn)生巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

1913年，鐵基催化劑的問世實現(xiàn)了氨的合成，從此化肥工業(yè)在世界范圍迅速發(fā)展；20世紀(jì)50年代末，Ziegler－Natta催化劑開創(chuàng)了合成材料工業(yè)；20世紀(jì)50年代初，分子篩憑借其特殊的結(jié)構(gòu)和性能引發(fā)了催化領(lǐng)域的一場變革；20世紀(jì)70年代，汽車尾氣凈化催化劑在美國實現(xiàn)工業(yè)化，并在世界范圍內(nèi)引起了普遍重視；20世紀(jì)80年代，金屬茂催化劑使得聚烯烴工業(yè)出現(xiàn)新的發(fā)展機(jī)遇。目前，人類正面臨著諸多重大挑戰(zhàn)，如：資源的日益減少，需要人們合理開發(fā)、綜合利用資源，建立和發(fā)展資源節(jié)約型農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通運輸以及生活體系；經(jīng)濟(jì)發(fā)展使環(huán)境污染蔓延、自然生態(tài)惡化，要求建立和發(fā)展物質(zhì)全循環(huán)利用的生態(tài)產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)生產(chǎn)到應(yīng)用的清潔化。

2.國外催化劑技術(shù)發(fā)展趨勢

經(jīng)過長期的發(fā)展，催化劑的應(yīng)用領(lǐng)域已趨向如下局面：傳統(tǒng)的石油化工技術(shù)基本趨于成熟，但需要新催化劑以滿足原料性質(zhì)變差、產(chǎn)品升級換代以及日趨苛刻的環(huán)保要求；天然氣化工和煤化工在經(jīng)濟(jì)上還不能與石油化工競爭，所涉及的催化技術(shù)有很大的相似性；用于高附加值化學(xué)品和藥物中間體合成為主的精細(xì)化工催化技術(shù)相對較為分散，發(fā)展遲緩，目前正在得到加強(qiáng)；以環(huán)境治理和環(huán)境保護(hù)為目的催化技術(shù)得到了廣泛的重視。

?據(jù)統(tǒng)計，全世界石油加工的產(chǎn)值為940多億美元，基本有機(jī)化工和精細(xì)化工分別520和480億美元左右，雖然在產(chǎn)量上，后二者之和低于前者，但其產(chǎn)值已超過石油加工，而且呈上升趨勢。新型催化劑、高效催化反應(yīng)技術(shù)和催化新材料及催化劑制備共性技術(shù)的創(chuàng)新是推動這些產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心。其中，環(huán)保用催化工藝及相應(yīng)的新型催化劑、催化劑制備精細(xì)化等的發(fā)展是關(guān)鍵，也是今后催化劑技術(shù)的主要發(fā)展方向。

2.1 新型催化劑的開發(fā)與應(yīng)用發(fā)展迅速

2.1.1 煉油與化工催化劑

新型、高效催化劑的研制，是石油和化學(xué)工業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來，國際上有關(guān)催化的研究中，近50%的工作圍繞開發(fā)新型催化劑展開，且對其重視程度日益增加。另一顯著特點，是新型催化劑的開發(fā)與環(huán)境友好密切聯(lián)系，即要求催化劑及催化技術(shù)生產(chǎn)生活必須品的同時，從源頭消除污染。固體酸催化劑是近年來國際上發(fā)展起來的一類新型催化劑，因其可在酯化、烷基化、異構(gòu)化等重要反應(yīng)中替代傳統(tǒng)催化劑，并從源頭杜絕污染，從而成為發(fā)展勢頭為強(qiáng)勁的一類新型催化劑。

均相堿催化在化學(xué)品合成中占有相當(dāng)比例，如環(huán)氧化物開環(huán)加成合成表面活性劑、酯交換制備精細(xì)化學(xué)品等，但因嚴(yán)重的污染問題對環(huán)境造成惡劣影響。近年來，以固體堿替代傳統(tǒng)氫氧化鈉等液堿催化劑已成為必然的發(fā)展趨勢。

由于對催化劑活性、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的要求，煤液化催化劑的研究重點已經(jīng)集中在超細(xì)粒分散型鐵基催化劑的制備與加入方式上，今后的研究課題仍需在用離子交換法引入催化劑的方式、直接浸漬方法的改進(jìn)、納米級氧化鐵和改性(硫化)氧化鐵的應(yīng)用、低濃度的可促進(jìn)鐵基催化劑活性提高的金屬的加入等方面做工作。

2.1.2 汽車尾氣凈化催化劑

隨著汽車發(fā)動機(jī)新技術(shù)的應(yīng)用及環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，汽車尾氣轉(zhuǎn)化催化劑將呈以下發(fā)展趨勢。首先，為提高燃料燃燒效率和減少CO排放，汽車發(fā)動機(jī)將逐漸采用貧燃技術(shù)。據(jù)有關(guān)報道，該發(fā)動機(jī)比常規(guī)發(fā)動機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性高出20%～25%。由于氧氣過剩，因而將NOX還原脫除就成為一技術(shù)難題。目前正在研究的解決方案包括NOX捕集、選擇性還原和電熱催化劑等，該技術(shù)可望于近期在歐洲工業(yè)化。其次是設(shè)計發(fā)動機(jī)冷啟動時能快速預(yù)熱的催化劑。

在歐洲和北美，汽車排放污染物主要是在催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱之前的早期排放引起的。在今后數(shù)年中，美國、歐洲和日本將生效的更為嚴(yán)格的排放限制主要是針對啟動前20～30s尾氣的凈化。此外，汽車尾氣轉(zhuǎn)化催化劑生產(chǎn)商正致力于減少催化劑中的貴金屬含量。第三是消除H2S的排放。

2.1.3 光催化劑

20世紀(jì) 70年代初的石油危機(jī)不僅帶來了光電化學(xué)的迅速發(fā)展，而且引起了對光催化劑領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。近 30年來，由于在環(huán)境治理、太陽能轉(zhuǎn)換、臨床醫(yī)學(xué)等諸多方面的潛在應(yīng)用，光催化及其相關(guān)技術(shù)得到了快速發(fā)展，尤其在污水處理和太陽能轉(zhuǎn)換方面得到了廣泛研究。

從光催化劑應(yīng)用的前景來看，目前主要應(yīng)用領(lǐng)域：一是二氧化鈦涂層的自潔凈功能。將二氧化鈦鍍在建筑材料、交通工具、室內(nèi)裝修材料的外表，利用生活中的太陽光、照明燈光即能分解這些表層的污染物，雨水清洗即實現(xiàn)自潔功能。二是超親水性能用于制備防霧設(shè)備。如涂有超親水光催化性薄膜的玻璃遇到水氣時表面形成了均勻的水膜，所以鏡像保持清晰。三是空氣和水資源的凈化。

需求總是促進(jìn)科學(xué)研究的發(fā)展。就以聚氨酯發(fā)泡劑硬泡為例，在所有保溫材料中雖然聚氨酯發(fā)泡劑泡沫塑料各方面的性能好，而成本也高，其中一個原因是制品整體密度 高;在生產(chǎn)工藝上雖然靈活方便但物料在反應(yīng)過程中對操作工藝條件的敏感性使制品質(zhì)量波動，需要經(jīng)常地調(diào)整配方，對于制品生產(chǎn)廠造成損失，當(dāng)然有些問題增加 投料量也是解決問題的一種方法，其結(jié)果以增加成本為代價;聚氨酯發(fā)泡劑耐溫不能超過120度;在阻燃性上加了阻燃劑效果阻燃性達(dá)到B2級。在應(yīng)用上想說愛你，都 難。正是這些弱點成為聚氨酯發(fā)泡劑泡沫塑料發(fā)展的瓶頸。要解決這一瓶頸的問題就要先了解目前影響質(zhì)量波動和高密度等問題的因素。從模塑泡沫成型特征看，發(fā)泡時是注料操作，泡沫就有流動的問題，如果泡沫流動的不好在制品中泡沫的密度就不一致，這時就要用多投料的方法使密度低處也能 達(dá)到合格的強(qiáng)度和表皮。怎樣達(dá)到密度一致，在發(fā)泡反應(yīng)的過程中控制泡沫的流動性是一個途徑，為什么環(huán)境工藝條件對制品質(zhì)量影響那么大。催化劑在其中的作用 是什么。

從聚氨酯發(fā)泡劑化學(xué)特征看顧名思義聚氨酯發(fā)泡劑即聚氨基甲酸酯，是異氰酸酯與羥基化合物反應(yīng)的產(chǎn)物，加入水可以生成脲基和二氧化碳而發(fā)泡生成泡沫塑料，催化劑起著重 要的作用，催化劑不僅能加速反應(yīng)速度，而且是發(fā)泡工藝的重要的控制手段。選擇恰當(dāng)?shù)拇呋瘎w系能使在鏈增長反應(yīng)(異氰酸酯-羥基反應(yīng))和發(fā)泡反應(yīng)(異氰酸 酯-水反應(yīng))二者之間建立較好的平衡，使聚合物的形成和氣體產(chǎn)生的速率相互平衡，在發(fā)氣反應(yīng)的同時泡沫壁具有足夠的強(qiáng)度，將氣體有效的包囊在泡沫體內(nèi)，發(fā) 泡完成后凝固成型。目前有兩大類催化劑：叔胺類和有機(jī)金 屬鹽類催化劑，叔胺類催化劑以三乙烯二胺，NN-二甲基環(huán)己胺為代表，有機(jī)金屬有有機(jī)錫類和羧酸鹽類。雖然目前已有很多上述類型催化劑可用，人們也在根據(jù) 催化活性的強(qiáng)弱反復(fù)地試驗，以澆注成型為例人們要根據(jù)制品的形狀大小控制發(fā)泡和固化的時間，要在這兩類催化劑中反復(fù)的調(diào)節(jié)尋找發(fā)泡和凝膠的平衡以期增加泡 沫的流動性和成型。然而因聚氨基甲酸酯所顧有的彈性韌性，使泡沫在發(fā)泡中后期泡沫被拉長，這就是所謂的拉絲現(xiàn)象，使所得制品在澆注料之處泡沫密度大，拉絲 處密度小，雖然也可固化成型，但受外界影響仍有變形的可能，如果為了增加交聯(lián)多加水，和異氰酸酯生成脲低聚物，又會使泡沫酥脆。人們?yōu)榉乐棺冃?，除了增?密度就是 加熱模具增加熟化時間。

從聚氨酯發(fā)泡劑化學(xué)特征看顧名思義聚氨酯發(fā)泡劑即聚氨基甲酸酯，是異氰酸酯與羥基化合物反應(yīng)的產(chǎn)物，加入水可以生成脲基和二氧化碳而發(fā)泡生成泡沫塑料，催化劑起著重 要的作用，催化劑不僅能加速反應(yīng)速度，而且是發(fā)泡工藝的重要的控制手段。選擇恰當(dāng)?shù)拇呋瘎w系能使在鏈增長反應(yīng)(異氰酸酯-羥基反應(yīng))和發(fā)泡反應(yīng)(異氰酸 酯-水反應(yīng))二者之間建立較好的平衡，使聚合物的形成和氣體產(chǎn)生的速率相互平衡，在發(fā)氣反應(yīng)的同時泡沫壁具有足夠的強(qiáng)度，將氣體有效的包囊在泡沫體內(nèi)，發(fā) 泡完成后凝固成型。目前有兩大類催化劑：叔胺類和有機(jī)金 屬鹽類催化劑，叔胺類催化劑以三乙烯二胺，NN-二甲基環(huán)己胺為代表，有機(jī)金屬有有機(jī)錫類和羧酸鹽類。雖然目前已有很多上述類型催化劑可用，人們也在根據(jù) 催化活性的強(qiáng)弱反復(fù)地試驗，以澆注成型為例人們要根據(jù)制品的形狀大小控制發(fā)泡和固化的時間，要在這兩類催化劑中反復(fù)的調(diào)節(jié)尋找發(fā)泡和凝膠的平衡以期增加泡 沫的流動性和成型。然而因聚氨基甲酸酯所顧有的彈性韌性，使泡沫在發(fā)泡中后期泡沫被拉長，這就是所謂的拉絲現(xiàn)象，使所得制品在澆注料之處泡沫密度大，拉絲 處密度小，雖然也可固化成型，但受外界影響仍有變形的可能，如果為了增加交聯(lián)多加水，和異氰酸酯生成脲低聚物，又會使泡沫酥脆。人們?yōu)榉乐棺冃?，除了增?密度就是 加熱模具增加熟化時間。

異氰酸酯的三聚體是六節(jié)環(huán)的異氰脲酸酯也是提高制品強(qiáng)度耐熱性的結(jié)構(gòu)，生成聚異氰脲酸酯需要大于150度。傳統(tǒng)催化劑中因無對以上二級反應(yīng)三聚反應(yīng)的有 效的催化劑，所以在聚氨酯發(fā)泡劑泡沫塑料的產(chǎn)品時常需在中后期經(jīng)高溫停放過程就是為了形成交聯(lián)，即熟化以便改善制品的強(qiáng)度和永久變形等性能。實際上異氰酸酯的二級反應(yīng)需要一類能給異氰酸酯更高的能量的催化劑使其配合一級反應(yīng)催化劑與一級反應(yīng)同步或協(xié)調(diào)進(jìn)行并能與生成的一級產(chǎn)物相容而利于二級 反應(yīng)的進(jìn)行，催化劑既要有高的反應(yīng)選擇性，能將所有的二級反應(yīng)和三聚反應(yīng)進(jìn)行到底，生成聚氨酯發(fā)泡劑聚脲基甲酸酯聚異氰脲酸酯聚脲。若能研發(fā)這類催化劑，將是聚 氨酯的一場革命，聚氨酯發(fā)泡劑就可以改名為聚脲氨酯即聚異氰脲酸基聚脲基氨基甲酸酯，它的發(fā)泡路線就不是那種改性的路線，即生成氨基甲酸酯后生成聚異氰脲基或 脲酸酯，而是同步接續(xù)的反應(yīng)所以更利于泡沫的形成和獨立性因為鏈增長和網(wǎng)絡(luò)的形成是同時進(jìn)行，異氰酸酯永遠(yuǎn)是跑在多元醇合物的前面，所以不論在哪里注料， 泡沫總是均勻地向四周分布，只要異氰酸酯足夠和這樣的催化劑是足夠的，反應(yīng)到完成泡沫也不會有拔絲現(xiàn)象。所以所得的泡沫制品總體密度就可以降低，強(qiáng)度可大 幅度提高，其反應(yīng)完成就是固化之時熟化也隨即完成。所得產(chǎn)物泡沫制品可以不用后期的高溫停放，表皮自然不脆，而且強(qiáng)度高，泡沫尺寸穩(wěn)定性好。而且能耐高溫 可超過150度，異氰酸酯的指數(shù)足夠的話可提高阻燃等級。開發(fā)這類反應(yīng)的催化劑將有望突破聚氨酯發(fā)泡劑發(fā)展的瓶頸。找到了目標(biāo)產(chǎn)物和所要進(jìn)行的反應(yīng)了，尋找什么樣的化合物作為催化劑將是艱巨的任務(wù)，這類催化劑的問世將是聚氨酯發(fā)泡劑泡沫塑料行業(yè)的福音。