世界催化劑前沿技術介紹

摘要：這里系統(tǒng)地介紹了國內外多種催化劑新技術、新材料和新產品發(fā)展動態(tài)和發(fā)展趨勢，針對我國催化劑技術發(fā)展現狀，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反應的活化能，加快反應速度，因此被廣泛應用于煉油、化工、制藥、環(huán)保等行業(yè)。催化劑的技術進展是推動這些行業(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，并伴隨產生巨大的社會和經濟效益。

1913年，鐵基催化劑的問世實現了氨的合成，從此化肥工業(yè)在世界范圍迅速發(fā)展；20世紀50年代末，Ziegler－Natta催化劑開創(chuàng)了合成材料工業(yè)；20世紀50年代初，分子篩憑借其特殊的結構和性能引發(fā)了催化領域的一場變革；20世紀70年代，汽車尾氣凈化催化劑在美國實現工業(yè)化，并在世界范圍內引起了普遍重視；20世紀80年代，金屬茂催化劑使得聚烯烴工業(yè)出現新的發(fā)展機遇。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)約型農業(yè)、工業(yè)、交通運輸以及生活體系；經濟發(fā)展使環(huán)境污染蔓延、自然生態(tài)惡化，要求建立和發(fā)展物質全循環(huán)利用的生態(tài)產業(yè)，實現生產到應用的清潔化。

2.國外催化劑技術發(fā)展趨勢

經過長期的發(fā)展，催化劑的應用領域已趨向如下局面：傳統(tǒng)的石油化工技術基本趨于成熟，但需要新催化劑以滿足原料性質變差、產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濟上還不能與石油化工競爭，所涉及的催化技術有很大的相似性；用于高附加值化學品和藥物中間體合成為主的精細化工催化技術相對較為分散，發(fā)展遲緩，目前正在得到加強；以環(huán)境治理和環(huán)境保護為目的催化技術得到了廣泛的重視。

?據統(tǒng)計，全世界石油加工的產值為940多億美元，基本有機化工和精細化工分別520和480億美元左右，雖然在產量上，后二者之和低于前者，但其產值已超過石油加工，而且呈上升趨勢。新型催化劑、高效催化反應技術和催化新材料及催化劑制備共性技術的創(chuàng)新是推動這些產業(yè)發(fā)展的核心。其中，環(huán)保用催化工藝及相應的新型催化劑、催化劑制備精細化等的發(fā)展是關鍵，也是今后催化劑技術的主要發(fā)展方向。

2.1 新型催化劑的開發(fā)與應用發(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，是石油和化學工業(yè)實現跨越式發(fā)展的基礎。近年來，國際上有關催化的研究中，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，是新型催化劑的開發(fā)與環(huán)境友好密切聯系，即要求催化劑及催化技術生產生活必須品的同時，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、異構化等重要反應中替代傳統(tǒng)催化劑，并從源頭杜絕污染，從而成為發(fā)展勢頭為強勁的一類新型催化劑。

均相堿催化在化學品合成中占有相當比例，如環(huán)氧化物開環(huán)加成合成表面活性劑、酯交換制備精細化學品等，但因嚴重的污染問題對環(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、經濟、環(huán)保的要求，煤液化催化劑的研究重點已經集中在超細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、納米級氧化鐵和改性(硫化)氧化鐵的應用、低濃度的可促進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)動機新技術的應用及環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，汽車尾氣轉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)動機將逐漸采用貧燃技術。據有關報道，該發(fā)動機比常規(guī)發(fā)動機的燃料經濟性高出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，該技術可望于近期在歐洲工業(yè)化。其次是設計發(fā)動機冷啟動時能快速預熱的催化劑。

在歐洲和北美，汽車排放污染物主要是在催化轉化器預熱之前的早期排放引起的。在今后數年中，美國、歐洲和日本將生效的更為嚴格的排放限制主要是針對啟動前20～30s尾氣的凈化。此外，汽車尾氣轉化催化劑生產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 70年代初的石油危機不僅帶來了光電化學的迅速發(fā)展，而且引起了對光催化劑領域的廣泛關注。近 30年來，由于在環(huán)境治理、太陽能轉換、臨床醫(yī)學等諸多方面的潛在應用，光催化及其相關技術得到了快速發(fā)展，尤其在污水處理和太陽能轉換方面得到了廣泛研究。

從光催化劑應用的前景來看，目前主要應用領域：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，雨水清洗即實現自潔功能。二是超親水性能用于制備防霧設備。如涂有超親水光催化性薄膜的玻璃遇到水氣時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。