綠色催化劑的種類及應用

          綠色化學要求化學品的生産(chǎn)最大限度地合理利用資源，最低限度地産(chǎn)生環境污染和最大限度地維護生态平衡。它對化學反應的要求是：（1）採(cǎi)用無毒、無害的原料；（2）在無毒無害及溫和的條件下進行；（3）反應應具有高的選擇性；（4）産(chǎn)品應是環境友好的。這四點要求之中，有兩點涉及到催化劑，人們将這類催化反應稱爲綠色催化反應，其使用的催化劑也就稱之爲綠色催化劑。

         随著(zhe)人們對環保的日益重視以及環氧化産品應用的不斷增加，尋找符合時代要求的工藝簡單、污染少、綠色環保的環氧化合成新工藝顯得更爲迫切。20世紀90年代後期綠色化的興起，爲人類解決化學工業對環境污染，實現可持續發展提供瞭(le)有效的手段。因此，新型催化劑與催化過程的研究與開發是實現傳統化學工藝無害化的主要途徑。

        大量催化劑的開發和應用，使化學工業得到瞭(le)快速發展。據統計約有85%的化學品是通過催化工藝生産的，過去在研制催化劑是隻考慮其催化活性壽命、成本及制造工藝，極少顧及環境因素。近年來以清潔生産爲目的的綠色催化工藝及催化劑的開發，已成爲21世紀的熱點。因爲隻有採(cǎi)用這種工藝及新催化劑才能實現科技創新與綠色環保相結合，才能帶來企業的高效益和社會高效益的同步增長，與此同時，将昭示一種新資源觀念和環保觀念，即人類對自然資源可以進行重複多次的利用，從而使有限的資源構成一個多次生成過程，這種既能多次重複利用資源又能保護環境的綠色科技産業，将使我國傳統化工産業完成由“夕陽産業” 到“綠色産業”的革命性轉變。下面将重點對綠色催化劑的種類及應用進行綜述。

1  分子篩(shāi)催化劑(jì)

         分子篩，它是具有均一微孔結構而能将不同大小分子分離或選擇性反應的固體吸附劑或催化劑。是一種結晶型的矽鋁酸鹽，有天然和合成兩種，其組成SiO₂與Al₂O₃之比不同，商品有不同的型号。在化學工業、石油工業及其他部門，分子篩廣泛應用於氣體和液體的幹燥、脫水、淨化、分離、回收及催化裂化等石油加工過程的反應。分子篩使用後可以再生。

        分子篩催化劑，又稱(chēng)沸石分子篩催化劑，系指以分子篩爲催化劑活性組分或主要活性組分之一的催化劑。分子篩具有離子交換性能、均一的分子大小的孔道、酸催化活性，並(bìng)有良好的熱穩定性和水熱穩定性，可制成對許多反應有高活性、高選擇性的催化劑。

        分子篩熱穩定性好，在900K時仍存在催化活性，因而用它制成蜂窩狀陶瓷，用於(yú)汽車(chē)尾氣的催化劑轉化的載體。另外，分子篩催化裂化在石油化學工業中已大量使用。催化裂化分子篩催化劑一般是稀土元素或高價金屬元素取代鈉元素的Y型分子篩。與普通矽鋁催化劑相比，具有活性高，熱穩定性好的特點，可在較緩和條件下進行反應，同時允許在630~680℃的高溫下再生以更好地恢複活性。此外，它抗中毒能力強，能加工某些含重金屬較多的劣質原料。

2  雜(zá)多酸催化劑(jì)

          雜多酸是一類由中心原子（俗稱雜原子）和配位原子（多原子）按一定的空間結構、借助氧原子橋聯成的含氧多元酸。是強度均勻的質子酸，並(bìng)有氧化還原能力，通過改變組成，可調節酸強度和氧化還原性能。水分存在時形成的拟液相也能影響其酸性和氧化還原能力。雜多酸有固體和液體兩種形态，是很強的布朗斯特酸（B酸），時含有B酸中心和路易斯（L）酸中心。作爲酸催化劑，其活性中心既存在於(yú)“表相”，也存在於(yú)“體相”。雜多酸有類似於(yú)濃液的“拟液相”，這種特性使其具有很高的催化活性，既可以表面發生催化反應，也可以在液相中發生催化反應，雜多酸如前所述既是氧化催化劑，還是光電催化劑。十二鎢磷酸，用於(yú)催化丙烯水合制異丙醇，轉化率中等，選擇性很高，是成功應用的典範。

           雜多酸具有的可調控酸性，它取代HF、硫酸、磷酸，以固體形式進行多相催化反應，用雜多酸做催化劑可提高反應的回收率。與沸石分子篩催化劑類似，它具有不腐蝕設備(bèi)、資源利用充分、不污染環境、工藝簡便等優點。雜多酸又因其兼具氧化、光電催化等功能，在化工生産尤其是石油化工生産中被廣泛採(cǎi)用。

3  固體超強(qiáng)酸催化劑(jì)

          超強酸是比100%硫酸還強的酸，其HO<11.93，而固體超強酸是一類固體超強酸的總稱。它主要又以下幾類：（1）負載型固體超強酸：這是以金屬氧化物作載體将液體超強酸負載起來的一類超強酸HF-SbF₃-AlF₃/固體多孔材料/SbF₃-Pt/石墨，SbF₃-Hf/F-Al₂O₃，SbF₃-FSO₃H/石墨。（2）混合無機鹽類：AlCl₃-CaCl₂，AlCl₃-Ti(SO₄)₃。（3）氟代磺酸離子交換樹脂(Nafion-H)。（4）硫酸根離子酸性金屬氧化物：SO₄^2-/ZrO₂，SO₄^2-/TiO₂，SO₄^2-/Fe₂O₃等。（5）負載金屬氧化物的固體超強酸如WO₃/ZnO₂，MoO₃、ZrO₂等。這些固體超強酸其酸度高於100%硫酸的103-104倍，它們易於制備和保存，不腐蝕反應器，在500℃時仍具有催化活性，且能反複使用。其中以（3）（4）（5）三種不含鹵原子，不污染環境，可作優良的質子催化劑。

          固體超強(qiáng)酸在丙醇水合制異丙醇和異丙醚，甲醇和異丙烯制甲基叔丁基醚、醇酸酯化、烴的硝化、氧化氯代烴的還(hái)原等反應中都體現出優良的催化性能。

4  其他類(lèi)型的綠色催化劑(jì)

    （1）光催化劑：這是一類借助光的激發而進行催化反應的催化劑，如ZnO-CuO-H₂O₂，在紫外光作用下,可對染料廢水進行催化脫色,脫色率近100%。TiO₂光催化劑光解二氯乙酸、光的光解制氫、CO₂的光催化固碳都是爲未來解決能源、人工光合作用的主要催化反應。

   （2）電(diàn)極催化劑：在這類電(diàn)化學反應中，電(diàn)極既是電(diàn)化學反應的反應物場(chǎng)所 也是供應和接收電(diàn)子的場(chǎng)所，故兼有催化和促進電(diàn)子遷移的雙重功能。通過外部電(diàn)路調控電(diàn)極電(diàn)位，可對反應條件、反應速率進行調控。

  （3）酶催化劑：酶催化劑可以說時一種真正的綠色催化劑，它是一種能加速特殊反應的生物分子，有近乎專一的催化性能。例如可以苯爲原料制乙二酸，原料苯是強緻癌物質，且整個操作過程在高溫、高壓下進行，所用硝酸對設備(bèi)腐蝕嚴重，有毒性。生産(chǎn)成本高，投資大。

  （4）膜催化劑：膜催化劑是将催化劑制成膜反應器，反應物可選擇性的穿越催化膜並(bìng)發生反應，産(chǎn)物也可以選擇性的穿過膜而離開反應區域，從而有效地調節反應區域内的反應物和産(chǎn)物的濃度，這也是将膜技術和催化綜合的一種催化工藝。

        雖然綠色化工催化劑理論發展逐漸得到完善，但大多數催化劑仍停留在實驗階段，催化劑性能不穩定，制備(bèi)過程複雜，性價比低是制約其工業化應用的主要原因，但從長遠角度考慮，採(cǎi)用綠色化工催化劑是實現生産零污染的一個必然趨勢。