世界催化劑前沿技術(shù)介紹

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(dòng)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(dòng)這些行業(yè)發(fā)展的有效的動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)將逐漸采用貧燃技術(shù)。據(jù)有關(guān)報(bào)道，該發(fā)動(dòng)機(jī)比常規(guī)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)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(dòng)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。