世界催化劑(ji)前沿(yan)技術介紹

摘要：這(zhe)里系統地介紹了國(guo)內外(wai)多(duo)種(zhong)催化劑(ji)(ji)新(xin)技術、新(xin)材(cai)料和新(xin)產(chan)品發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)動態和發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)趨勢，針(zhen)對我國(guo)催化劑(ji)(ji)技術發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)現(xian)狀，對催化劑(ji)(ji)行業的(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)提出了自己的(de)(de)見解。

1.前言

催(cui)化(hua)劑的主(zhu)要作用是(shi)降(jiang)低(di)化(hua)學反應(ying)(ying)的活化(hua)能，加快(kuai)反應(ying)(ying)速(su)度，因(yin)此被廣(guang)泛應(ying)(ying)用于煉油、化(hua)工、制藥、環(huan)保等行業(ye)。催(cui)化(hua)劑的技術(shu)進展是(shi)推(tui)動這些(xie)行業(ye)發展的有效(xiao)(xiao)的動力之一。一種新型催(cui)化(hua)材料(liao)或新型催(cui)化(hua)工藝的問世，往往會引發革(ge)命性的工業(ye)變革(ge)，并伴隨(sui)產生巨大的社(she)會和經(jing)濟效(xiao)(xiao)益。

1913年(nian)，鐵基催(cui)(cui)化(hua)劑(ji)的(de)(de)問世(shi)實現了氨的(de)(de)合成，從此化(hua)肥工(gong)業(ye)(ye)在(zai)世(shi)界范圍迅速發展(zhan)(zhan)；20世(shi)紀(ji)(ji)50年(nian)代(dai)末(mo)，Ziegler－Natta催(cui)(cui)化(hua)劑(ji)開創了合成材料工(gong)業(ye)(ye)；20世(shi)紀(ji)(ji)50年(nian)代(dai)初，分子篩(shai)憑借其特殊的(de)(de)結構和(he)性能引發了催(cui)(cui)化(hua)領(ling)域的(de)(de)一場變革(ge)；20世(shi)紀(ji)(ji)70年(nian)代(dai)，汽車(che)尾氣(qi)凈(jing)化(hua)催(cui)(cui)化(hua)劑(ji)在(zai)美國實現工(gong)業(ye)(ye)化(hua)，并在(zai)世(shi)界范圍內引起了普遍重視；20世(shi)紀(ji)(ji)80年(nian)代(dai)，金屬茂催(cui)(cui)化(hua)劑(ji)使得聚烯烴(jing)工(gong)業(ye)(ye)出現新的(de)(de)發展(zhan)(zhan)機遇(yu)。目前，人類正(zheng)面臨著(zhu)諸多(duo)重大(da)挑(tiao)戰，如：資(zi)源的(de)(de)日益減少，需要人們合理(li)開發、綜(zong)合利用資(zi)源，建立和(he)發展(zhan)(zhan)資(zi)源節約型農業(ye)(ye)、工(gong)業(ye)(ye)、交通(tong)運輸以及生活體系；經濟(ji)發展(zhan)(zhan)使環境污染蔓延、自然生態(tai)惡化(hua)，要求建立和(he)發展(zhan)(zhan)物質全循環利用的(de)(de)生態(tai)產(chan)(chan)業(ye)(ye)，實現生產(chan)(chan)到應用的(de)(de)清(qing)潔化(hua)。

2.國外催化劑技術發展趨勢

經(jing)過(guo)長(chang)期的(de)發展(zhan)，催(cui)化(hua)劑的(de)應用領域已趨向如下局面：傳統的(de)石(shi)油(you)化(hua)工技(ji)(ji)術(shu)基本趨于成(cheng)熟，但需要(yao)新催(cui)化(hua)劑以滿(man)足原(yuan)料(liao)性質變(bian)差、產品(pin)升級(ji)換代以及日趨苛(ke)刻的(de)環保要(yao)求；天然氣化(hua)工和煤化(hua)工在(zai)經(jing)濟上還不(bu)能與石(shi)油(you)化(hua)工競爭，所涉及的(de)催(cui)化(hua)技(ji)(ji)術(shu)有很大的(de)相似性；用于高附加(jia)值(zhi)化(hua)學品(pin)和藥物中間(jian)體(ti)合成(cheng)為主的(de)精細化(hua)工催(cui)化(hua)技(ji)(ji)術(shu)相對較為分散，發展(zhan)遲緩，目前(qian)正(zheng)在(zai)得到加(jia)強；以環境治理(li)和環境保護為目的(de)催(cui)化(hua)技(ji)(ji)術(shu)得到了廣泛(fan)的(de)重視。

?據統計，全世界石(shi)油(you)加工的產(chan)(chan)值(zhi)為940多億美(mei)元(yuan)，基本有機(ji)化工和(he)精細化工分(fen)別520和(he)480億美(mei)元(yuan)左右，雖然(ran)在產(chan)(chan)量上(shang)，后二者之(zhi)和(he)低于前(qian)者，但其產(chan)(chan)值(zhi)已超(chao)過(guo)石(shi)油(you)加工，而且呈上(shang)升趨勢(shi)。新(xin)型催化劑(ji)、高效催化反應技(ji)術和(he)催化新(xin)材料及催化劑(ji)制(zhi)備共(gong)性(xing)技(ji)術的創新(xin)是推(tui)動(dong)這些產(chan)(chan)業發展的核心(xin)。其中，環保(bao)用催化工藝及相應的新(xin)型催化劑(ji)、催化劑(ji)制(zhi)備精細化等(deng)的發展是關鍵，也是今后催化劑(ji)技(ji)術的主要發展方向(xiang)。

2.1 新型催化劑的開發與應用發展迅速

2.1.1 煉油與(yu)化工催化劑

新(xin)(xin)(xin)型、高(gao)效(xiao)催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)的(de)(de)(de)研制，是石油和化(hua)(hua)學工業實(shi)現跨越式(shi)發(fa)展的(de)(de)(de)基礎。近(jin)年來，國際(ji)上有(you)關催(cui)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)研究中，近(jin)50%的(de)(de)(de)工作圍繞開發(fa)新(xin)(xin)(xin)型催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)展開，且對其重(zhong)視程度日(ri)益增加。另一(yi)顯著特(te)點，是新(xin)(xin)(xin)型催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)的(de)(de)(de)開發(fa)與環境友(you)好密(mi)切聯系，即要求催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)及催(cui)化(hua)(hua)技術生產生活必須品的(de)(de)(de)同時(shi)，從源(yuan)頭消除污染(ran)。固體酸(suan)催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)是近(jin)年來國際(ji)上發(fa)展起(qi)來的(de)(de)(de)一(yi)類新(xin)(xin)(xin)型催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)，因其可在酯化(hua)(hua)、烷基化(hua)(hua)、異構化(hua)(hua)等重(zhong)要反應(ying)中替代傳統硫酸(suan)催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)，并從源(yuan)頭杜絕污染(ran)，從而成為發(fa)展勢頭為強勁的(de)(de)(de)一(yi)類新(xin)(xin)(xin)型催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)。

均相堿(jian)(jian)催(cui)化(hua)在化(hua)學品合成(cheng)中占有相當(dang)比例，如環(huan)氧化(hua)物開環(huan)加(jia)成(cheng)合成(cheng)表面活性(xing)劑(ji)、酯交換(huan)制備精細(xi)化(hua)學品等，但(dan)因嚴重的污染(ran)問題對環(huan)境造成(cheng)惡(e)劣影響(xiang)。近年來，以固體堿(jian)(jian)替代傳統氫氧化(hua)鈉等液(ye)堿(jian)(jian)催(cui)化(hua)劑(ji)已成(cheng)為必(bi)然的發(fa)展趨勢。

由于(yu)對(dui)催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)活(huo)性(xing)、經濟、環保的(de)(de)要求，煤液(ye)化(hua)(hua)(hua)催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)的(de)(de)研究重點(dian)已經集中在(zai)超細(xi)粒分散(san)型(xing)鐵(tie)基(ji)催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)的(de)(de)制備(bei)與加(jia)入(ru)方式(shi)上(shang)，今(jin)后的(de)(de)研究課(ke)題仍需在(zai)用離(li)子(zi)交換法引(yin)入(ru)催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)的(de)(de)方式(shi)、直(zhi)接浸(jin)漬方法的(de)(de)改進、納米級氧化(hua)(hua)(hua)鐵(tie)和改性(xing)(硫(liu)化(hua)(hua)(hua))氧化(hua)(hua)(hua)鐵(tie)的(de)(de)應用、低濃度的(de)(de)可促(cu)進鐵(tie)基(ji)催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)活(huo)性(xing)提高的(de)(de)金屬(shu)的(de)(de)加(jia)入(ru)等方面做(zuo)工作。

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2.1.2 汽車(che)尾氣(qi)凈化催化劑

隨(sui)著汽(qi)車發動(dong)(dong)(dong)機(ji)新技(ji)術(shu)(shu)的(de)應用(yong)及環(huan)保法規的(de)日益嚴(yan)格，汽(qi)車尾氣(qi)轉(zhuan)化(hua)催化(hua)劑(ji)將(jiang)呈以(yi)下發展趨(qu)勢(shi)。首先，為提高(gao)燃(ran)料燃(ran)燒效率和減(jian)少(shao)CO排(pai)放(fang)，汽(qi)車發動(dong)(dong)(dong)機(ji)將(jiang)逐漸采用(yong)貧(pin)燃(ran)技(ji)術(shu)(shu)。據(ju)有(you)關報道，該(gai)發動(dong)(dong)(dong)機(ji)比(bi)常規發動(dong)(dong)(dong)機(ji)的(de)燃(ran)料經濟性(xing)(xing)高(gao)出20%～25%。由于氧氣(qi)過剩(sheng)，因而將(jiang)NOX還原(yuan)脫除就成為一技(ji)術(shu)(shu)難題(ti)。目(mu)前(qian)正在(zai)研究的(de)解決(jue)方案(an)包括(kuo)NOX捕集、選擇性(xing)(xing)還原(yuan)和電熱催化(hua)劑(ji)等，該(gai)技(ji)術(shu)(shu)可望(wang)于近期在(zai)歐洲工業化(hua)。其次(ci)是設計發動(dong)(dong)(dong)機(ji)冷啟(qi)動(dong)(dong)(dong)時(shi)能快(kuai)速預熱的(de)催化(hua)劑(ji)。

在(zai)歐(ou)洲和北美，汽車排(pai)放(fang)污染(ran)物主要(yao)是(shi)在(zai)催化(hua)轉化(hua)器預熱(re)之(zhi)前的(de)(de)早期(qi)排(pai)放(fang)引(yin)起的(de)(de)。在(zai)今后(hou)數年(nian)中，美國(guo)、歐(ou)洲和日本將生效的(de)(de)更為嚴(yan)格的(de)(de)排(pai)放(fang)限制主要(yao)是(shi)針對啟動(dong)前20～30s尾氣的(de)(de)凈化(hua)。此外，汽車尾氣轉化(hua)催化(hua)劑(ji)生產商(shang)正致力于減(jian)少催化(hua)劑(ji)中的(de)(de)貴金屬含量。第三(san)是(shi)消除H2S的(de)(de)排(pai)放(fang)。

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2.1.3 光催化劑

20世紀(ji) 70年(nian)代初的石(shi)油危機不僅帶來了(le)(le)光(guang)(guang)電(dian)化(hua)(hua)學(xue)的迅(xun)速(su)發展，而且引起了(le)(le)對光(guang)(guang)催化(hua)(hua)劑領域的廣(guang)泛(fan)(fan)關注。近 30年(nian)來，由于在(zai)環(huan)境治理、太陽能(neng)轉(zhuan)換(huan)、臨床醫學(xue)等諸多方面的潛在(zai)應(ying)用(yong)，光(guang)(guang)催化(hua)(hua)及其(qi)相(xiang)關技術得到了(le)(le)快速(su)發展，尤其(qi)在(zai)污水處理和太陽能(neng)轉(zhuan)換(huan)方面得到了(le)(le)廣(guang)泛(fan)(fan)研究。

從光(guang)(guang)(guang)催(cui)化(hua)劑應用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)前(qian)景來(lai)看，目前(qian)主(zhu)要(yao)應用(yong)(yong)(yong)領域：一是(shi)二氧化(hua)鈦(tai)涂(tu)層的(de)(de)(de)(de)自潔(jie)凈功(gong)能(neng)。將二氧化(hua)鈦(tai)鍍在建筑材(cai)料、交通工具、室內裝修(xiu)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)外(wai)表(biao)，利用(yong)(yong)(yong)生活(huo)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)太陽光(guang)(guang)(guang)、照明燈(deng)光(guang)(guang)(guang)即(ji)(ji)能(neng)分解這些表(biao)層的(de)(de)(de)(de)污染(ran)物，雨水(shui)清洗即(ji)(ji)實現自潔(jie)功(gong)能(neng)。二是(shi)超親水(shui)性能(neng)用(yong)(yong)(yong)于制(zhi)備防霧設備。如涂(tu)有超親水(shui)光(guang)(guang)(guang)催(cui)化(hua)性薄膜的(de)(de)(de)(de)玻璃遇到(dao)水(shui)氣(qi)時表(biao)面(mian)形成(cheng)了均勻的(de)(de)(de)(de)水(shui)膜，所以鏡(jing)像保持清晰。三是(shi)空氣(qi)和水(shui)資源的(de)(de)(de)(de)凈化(hua)。

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