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世界催化剂前沿技术介绍

世界催化剂前沿技术介绍

摘要:这里系统地介绍了国内外多种催化剂新技术、新材料和新产品发展动态和发展趋势,针对我国催化剂技术发展现状,对催化剂行业的发展提出了自己的见解。

1.前言

催化剂的主要作用是降低化学反应的活化能,加快反应速度,因此被广泛应用于炼油、化工、制药、环保等行业。催化剂的技术进展是推动这些行业发展的最有效的动力之一。一种新型催化材料或新型催化工艺的问世,往往会引发革命性的工业变革,并伴随产生巨大的社会和经济效益。

1913年,铁基催化剂的问世实现了氨的合成,从此化肥工业在世界范围迅速发展;20世纪50年代末,Ziegler-Natta催化剂开创了合成材料工业;20世纪50年代初,分子筛凭借其特殊的结构和性能引发了催化领域的一场变革;20世纪70年代,汽车尾气净化催化剂在美国实现工业化,并在世界范围内引起了普遍重视;20世纪80年代,金属茂催化剂使得聚烯烃工业出现新的发展机遇。目前,人类正面临着诸多重大挑战,如:资源的日益减少,需要人们合理开发、综合利用资源,建立和发展资源节约型农业、工业、交通运输以及生活体系;经济发展使环境污染蔓延、自然生态恶化,要求建立和发展物质全循环利用的生态产业,实现生产到应用的清洁化。

2.国外催化剂技术发展趋势

经过长期的发展,催化剂的应用领域已趋向如下局面:传统的石油化工技术基本趋于成熟,但需要新催化剂以满足原料性质变差、产品升级换代以及日趋苛刻的环保要求;天然气化工和煤化工在经济上还不能与石油化工竞争,所涉及的催化技术有很大的相似性;用于高附加值化学品和药物中间体合成为主的精细化工催化技术相对较为分散,发展迟缓,目前正在得到加强;以环境治理和环境保护为目的催化技术得到了广泛的重视。

 据统计,全世界石油加工的产值为940多亿美元,基本有机化工和精细化工分别520和480亿美元左右,虽然在产量上,后二者之和低于前者,但其产值已超过石油加工,而且呈上升趋势。新型催化剂、高效催化反应技术和催化新材料及催化剂制备共性技术的创新是推动这些产业发展的核心。其中,环保用催化工艺及相应的新型催化剂、催化剂制备精细化等的发展是关键,也是今后催化剂技术的主要发展方向。

2.1 新型催化剂的开发与应用发展迅速

2.1.1 炼油与化工催化剂

新型、高效催化剂的研制,是石油和化学工业实现跨越式发展的基础。近年来,国际上有关催化的研究中,近50%的工作围绕开发新型催化剂展开,且对其重视程度日益增加。另一显著特点,是新型催化剂的开发与环境友好密切联系,即要求催化剂及催化技术生产生活必须品的同时,从源头消除污染。固体酸催化剂是近年来国际上发展起来的一类新型催化剂,因其可在酯化、烷基化、异构化等重要反应中替代传统硫酸催化剂,并从源头杜绝污染,从而成为发展势头最为强劲的一类新型催化剂。

均相碱催化在化学品合成中占有相当比例,如环氧化物开环加成合成表面活性剂、酯交换制备精细化学品等,但因严重的污染问题对环境造成恶劣影响。近年来,以固体碱替代传统氢氧化钠等液碱催化剂已成为必然的发展趋势。

由于对催化剂活性、经济、环保的要求,煤液化催化剂的研究重点已经集中在超细粒分散型铁基催化剂的制备与加入方式上,今后的研究课题仍需在用离子交换法引入催化剂的方式、直接浸渍方法的改进、纳米级氧化铁和改性(硫化)氧化铁的应用、低浓度的可促进铁基催化剂活性提高的金属的加入等方面做工作。

 

2.1.2 汽车尾气净化催化剂

随着汽车发动机新技术的应用及环保法规的日益严格,汽车尾气转化催化剂将呈以下发展趋势。首先,为提高燃料燃烧效率和减少CO排放,汽车发动机将逐渐采用贫燃技术。据有关报道,该发动机比常规发动机的燃料经济性高出20%~25%。由于氧气过剩,因而将NOX还原脱除就成为一技术难题。目前正在研究的解决方案包括NOX捕集、选择性还原和电热催化剂等,该技术可望于近期在欧洲工业化。其次是设计发动机冷启动时能快速预热的催化剂。

在欧洲和北美,汽车排放污染物主要是在催化转化器预热之前的早期排放引起的。在今后数年中,美国、欧洲和日本将生效的更为严格的排放限制主要是针对启动前20~30s尾气的净化。此外,汽车尾气转化催化剂生产商正致力于减少催化剂中的贵金属含量。第三是消除H2S的排放。

 

2.1.3 光催化剂

20世纪 70年代初的石油危机不仅带来了光电化学的迅速发展,而且引起了对光催化剂领域的广泛关注。近 30年来,由于在环境治理、太阳能转换、临床医学等诸多方面的潜在应用,光催化及其相关技术得到了快速发展,尤其在污水处理和太阳能转换方面得到了广泛研究。

从光催化剂应用的前景来看,目前主要应用领域:一是二氧化钛涂层的自洁净功能。将二氧化钛镀在建筑材料、交通工具、室内装修材料的外表,利用生活中的太阳光、照明灯光即能分解这些表层的污染物,雨水清洗即实现自洁功能。二是超亲水性能用于制备防雾设备。如涂有超亲水光催化性薄膜的玻璃遇到水气时表面形成了均匀的水膜,所以镜像保持清晰。三是空气和水资源的净化。

中文名 光触媒 所属学科 化学
外文名 photocatalyst  主要成分 N型半导体材料 
代表物质 二氧化钛 本    质 光催化剂 

 

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