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(shí)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(fèi)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(diǎn)。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(jià)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(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)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(shí)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(jì)，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(shí)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(diǎn)，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(shí)，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(diǎn)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(bào)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(jì)發(fā)動機(jī)冷啟動時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(jià);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(diǎn)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(yàn)，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(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(dú)立性因?yàn)殒溤鲩L和網(wǎng)絡(luò)的形成是同時(shí)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(shí)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。