催化劑發(fā)展對(duì)化學(xué)工業(yè)的影響

科學(xué)技術(shù)   催化   合成氨   納米技術(shù)

1.引言

    工業(yè)催化作為化學(xué)學(xué)科科學(xué)技術(shù)的典型代表不僅成為推動(dòng)當(dāng)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力，也成為增強(qiáng)綜合國(guó)力的戰(zhàn)略資源。21世紀(jì)是充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的世紀(jì)，人類(lèi)依然面臨糧食短缺、能源枯竭、生態(tài)破壞、環(huán)境污染等問(wèn)題。催化劑不僅在化學(xué)、化工生產(chǎn)以及醫(yī)藥等方面具有重要作用，而且影響著人類(lèi)社會(huì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。任何事物都存在兩面性，催化作為客觀存在的事物，自然也存在自身的利弊?，F(xiàn)從兩個(gè)催化的典型應(yīng)用實(shí)例來(lái)闡述催化劑的發(fā)展對(duì)化學(xué)工業(yè)發(fā)展的影響。

2.合成氨催化劑

2.1合成氨催化劑的研究

    工業(yè)上使用的合成氨催化劑以四氧化三鐵為主催化劑，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似與天然礦物尖晶石MgAl₂O₄，根據(jù)相分析結(jié)果為α-Fe（體心立方結(jié)構(gòu)）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在α-Fe 中添加適量的助劑（如氧化鋁、氧化鉀、氧化鈣、氧化鎂和二氧化硅等） 可以改善其催化活性及催化劑穩(wěn)定性。氧化鋁是一種結(jié)構(gòu)型助劑，可以束縛住表面游離的氧化鉀，生成鋁酸鉀，減少其流失，還可以增加催化劑的抗硫性和抗氯性；氧化鉀是一種電子型助劑，可以加快電子傳遞給氮?dú)?，提高催化活性，還可以中和氧化鋁的酸性，減弱其對(duì)氨氣的吸附；氧化鈣和氧化鎂的作用類(lèi)似，可以顯著的提高催化劑的低溫活性；二氧化硅促進(jìn)催化劑的物理結(jié)構(gòu)的改變，從而調(diào)節(jié)表面鉀離子的分布。20世紀(jì)80年代初期，研究者們?cè)趥鹘y(tǒng)的鐵基合成氨催化劑基礎(chǔ)上，通過(guò)添加促進(jìn)劑 （氧化鈷） 來(lái)提高催化劑的活性。而且該類(lèi)催化劑可以在較低的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，因此明顯提高了氨的凈產(chǎn)值。氧化鈷可以使催化劑的晶格發(fā)生變化，減小還原態(tài)催化劑的晶粒度，顯著增大比表面積，改善孔結(jié)構(gòu)，提高催化劑活性。

2.2合成氨催化劑的影響

    合成氨的成功產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，解決了糧食危機(jī)，Haber一度被認(rèn)為是 “用空氣制造面包的上帝”。但也增加了炸藥的產(chǎn)量，變相的成為戰(zhàn)爭(zhēng)的促進(jìn)劑。哈伯發(fā)明了催化劑，得以利用空氣中無(wú)窮的氮：他用鐵屑固定氮?dú)?，使成噸的氨和化肥從德?guó)工廠源源涌出。恰在此后數(shù)月，通往智利的航道被切斷，智利硝石和鳥(niǎo)糞的來(lái)源斷絕；而那時(shí)，第一次世界大戰(zhàn)陰云密布，德國(guó)正需儲(chǔ)備軍火。

    哈伯還掌握了催化劑的功能：化學(xué)反應(yīng)中的催化劑削去了阻隔反應(yīng)的山峰，降低了發(fā)生反應(yīng)的臨界點(diǎn)，暗掘通道，伸出分子的手臂拉近最難反應(yīng)的對(duì)象，使它們之間成鍵或斷鍵變得輕而易舉。

3. 納米技術(shù)在催化上的應(yīng)用

    催化是早期依靠經(jīng)驗(yàn)發(fā)展納米技術(shù)的典型例子。由于納米微粒的尺寸較小，表面占有的體積百分?jǐn)?shù)較大，表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，表面原子配位數(shù)不全等原因，納米級(jí)催化劑具有很多優(yōu)越的條件。根據(jù)最新研究的納米材料表面形態(tài)學(xué)，減小粒徑將導(dǎo)致表面光滑程度變差，形成凹凸不平的原子界面，從而增加了催化反應(yīng)的接觸面積。近年來(lái)納米顆粒催化劑越來(lái)越得到重視，被稱(chēng)之為第四代催化劑。納米材料催化劑具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)及表面特性（表面鍵態(tài)與內(nèi)部不同，表面原子配位不全等），其催化活性和選擇性都大大優(yōu)于常規(guī)催化劑，甚至使原來(lái)進(jìn)行很慢的反應(yīng)也能完全進(jìn)行。納米尺度的催化劑將大幅度的提高化學(xué)反應(yīng)的速率和燃燒的效率，同時(shí)還可以顯著地減少?gòu)U物排放和環(huán)境污染。

3.1 納米二氧化鈦

    納米級(jí)的TiO₂催化劑表面具有大量的懸鍵，可以在能隙中形成缺陷能級(jí)，使催化劑表面具有很高的活性。這對(duì)納米二氧化鈦的光學(xué)性質(zhì)將產(chǎn)生很大的影響，使其具有獨(dú)特的光催化氧化活性。這在降解水體和空氣中的有機(jī)污染物時(shí)表現(xiàn)出明顯的效果，有機(jī)物和細(xì)菌等可以被分解氧化為二氧化碳和雙氧水。納米二氧化鈦光催化劑的特殊作用正在引發(fā)一場(chǎng)所謂的“光潔凈革命”。

3.2納米分子篩催化劑

    沸石分子篩是一種水合結(jié)晶型硅酸鹽，具有均勻的微孔，其孔徑與一般分子大小相當(dāng)，可以篩分大小不同的分子。分子篩具有獨(dú)特的規(guī)整晶體結(jié)構(gòu)，其中每一類(lèi)沸石都具有一定尺寸、形狀的孔道結(jié)構(gòu)，并且具有較大的比表面積。大部分沸石的表面具有較強(qiáng)的酸中心，同時(shí)晶孔內(nèi)強(qiáng)大的庫(kù)倫場(chǎng)起到極化作用。這些特性使得分子篩成為性能優(yōu)異的催化劑。有些沸石分子篩還具有獨(dú)特的擇形催化功能，可以控制產(chǎn)品的組成、提高產(chǎn)率。

    例如，使用改性的納米ZSM-5沸石分子篩催化劑進(jìn)行甲苯烷基化反應(yīng)，可以得到高濃度的對(duì)二甲苯。利用ZSM-5分子篩產(chǎn)物擇形的特點(diǎn)，美國(guó)的 Mobil 公司成功地開(kāi)發(fā)了甲苯乙烯烷基化生產(chǎn)對(duì)甲乙苯的反應(yīng)。對(duì)甲乙苯經(jīng)脫氫后得到對(duì)甲基苯乙烯，后者經(jīng)聚合可得到性能優(yōu)良的高分子材料。

3. 3納米技術(shù)的影響

    納米技術(shù)將使人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用技術(shù)經(jīng)歷了材料主導(dǎo)、能源主導(dǎo)、信息主導(dǎo)之后，正發(fā)生著三者在生物技術(shù)基礎(chǔ)上相互融合和在納米層次上相互融合為主導(dǎo)的新時(shí)代。納米技術(shù)不僅打破了不同學(xué)科之間的壁壘，更重要的是推動(dòng)了科學(xué)與技術(shù)之間的相互融合?？茖W(xué)的目標(biāo)是認(rèn)識(shí)世界，而技術(shù)的目標(biāo)則是改造世界。科學(xué)與技術(shù)的完整統(tǒng)一，是科學(xué)與技術(shù)共同發(fā)展到一定階段的必然結(jié)果。這是人類(lèi)生存的客觀需求與主觀需求統(tǒng)一的必然要求，也為人類(lèi)社會(huì)從必然王國(guó)走向自由王國(guó)指引了方向。納米技術(shù)由于能顯著的提高能源的利用率和存儲(chǔ)能力，被廣泛的用于監(jiān)視和改善環(huán)境污染問(wèn)題，調(diào)整工業(yè)的控制和生產(chǎn)以達(dá)到節(jié)約資源的目的。在納米尺度上進(jìn)行控制也意味著在定義物理、化學(xué)和生物特性的尺度上對(duì)其特性、現(xiàn)象以及過(guò)程進(jìn)行精確的模擬設(shè)計(jì)。同時(shí)，納米級(jí)的材料和小型機(jī)器能夠凈化空氣、水等，還可以代替人類(lèi)完成許多微小精細(xì)的工作，如疏通血管，靶向施藥等。所以納米技術(shù)具有改變?nèi)祟?lèi)特性的潛能，這要求我們?cè)诹私饧{米技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也要意識(shí)到我們所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

3.3.1對(duì)社會(huì)生產(chǎn)方式的影響

    納米技術(shù)同其它科技進(jìn)步一樣，在社會(huì)運(yùn)用中也是一把雙刃劍。美國(guó)計(jì)算機(jī)專(zhuān)家 Bill Joy指出： “納米技術(shù)極可能成為吞噬整個(gè)宇宙的癌癥，因?yàn)槲覀冸y以保證哪一天，神奇的納米盒子會(huì)成為潘多拉盒子，無(wú)數(shù)的納米機(jī)器人會(huì)將人類(lèi)世界作為它們制造產(chǎn)品的原材料。”納米科技可以說(shuō)是科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的成果之一，對(duì)社會(huì)進(jìn)步，社會(huì)生產(chǎn)方式的進(jìn)一步提高，具有巨大的促進(jìn)作用。但是納米技術(shù)的濫用，卻極可能導(dǎo)致科技工具的異常膨脹，導(dǎo)致很多社會(huì)問(wèn)題。

3.3.2對(duì)社會(huì)文明發(fā)展的影響

    納米技術(shù)把具有無(wú)限豐富性的人性單一化為自然原子物性，一方面將人的有限的物質(zhì)需求化為無(wú)限的物質(zhì)欲望；另一方面，又將具有精妙整體性的人性扯得粉碎，而后再在原子或分子的層次去進(jìn)行任意的分解和組合，這勢(shì)必造成完整人性的分裂或崩潰。納米技術(shù)等高科技對(duì)社會(huì)的負(fù)面影響，不可能單純靠科學(xué)自身去解決，“人類(lèi)要用理性的律令校正高科技的價(jià)值取向和使命意識(shí)”。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，催化科學(xué)是人類(lèi)進(jìn)步發(fā)展的動(dòng)力，人類(lèi)社會(huì)要想長(zhǎng)治久安地發(fā)展進(jìn)步下去，必須合理地利用催化科學(xué)技術(shù)，把科技發(fā)展應(yīng)用于人類(lèi)的和平事業(yè)，構(gòu)建和諧社會(huì)，和諧世界。只有這樣，才能充分享受科學(xué)技術(shù)發(fā)展所帶來(lái)的福音。

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