綠色催化劑的種類及在綠色化學上的應用

劉海洋+吳庭剛+霍紅光

摘 要：綠色化學是現代化學工業的發展趨勢和前沿技術。生產化學產品的原料、催化劑、溶劑的綠色化， 以及生物技術等清潔生產方法的開發和應用， 對維護人類健康， 保護生態環境， 實現化學工業的可持續發展具有重要意義。

關鍵詞：化學工藝；綠色化；開發；應用

1.綠色催化劑與綠色化學

催化劑是一種物質的特定稱呼，是指在化學反應中能改變反應速率，但本身的化學性質和質量在反應前后都沒有發生變化的物質。催化劑會誘導化學反應發生改變，而使化學反應變快或減慢或者在較低的溫度環境下進行。催化劑在工業上也稱為觸媒。

綠色催化劑是指在催化轉化反應過程中，不產生環境污染，甚至是“零排放”，從而能夠實現清潔生產的這樣一類催化劑。

綠色化學又稱環境無害化學、環境友好化學、清潔化學。近年來，綠色化學的研究工作主要圍繞化學反應、原料、催化劑、溶劑和產品的綠色化展開的。綠色化學代表著二十一世紀化學學科的主流方向，而綠色催化劑將是綠色化學的重要組成部分。

綠色化學對人類社會的發展和進步有著深遠的影響，而綠色催化技術在綠色化學發展中作用十分重要。因為，80%以上的傳統化工過程都與催化作用有關。近年來隨著人類對能源、環境和健康等問題的普遍關注，綠色催化劑的作用和地位獲得了新的

評價。

2.綠色催化劑的種類

2.1 分子篩催化劑

分子篩催化劑，又稱沸石分子篩催化劑，系指以分子篩為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，并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。

2.2 雜多酸催化劑

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，并有氧化還原能力，通過改變組成，可調節酸強度和氧化還原性能。水分存在時形成的擬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態。

2.3 固體超強酸催化劑

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將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：SO42-/ZrO2，SO42-/TiO2，SO42-/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于100%硫酸的103-104倍，它們易于制備和保存，不腐蝕反應器，在500℃時仍具有催化活性，且能反復使用。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。

2.4 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的光催化固碳都是為未來解決能源、人工光合作用的主要催化

反應。

2.5 電極催化劑

在這類電化學反應中，電極既是電化學反應的反應物場所 也是供應和接收電子的場所，故兼有催化和促進電子遷移的雙重功能。通過外部電路調控電極電位，可對反應條件、反應速率進行調控。

2.6 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。

2.7 膜催化劑

膜催化劑是將催化劑制成膜反應器，反應物可選擇性的穿越催化膜并發生反應，產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內的反應物和產物的濃度，這也是將膜技術和催化綜合的一種催化工藝。

3.綠色催化劑在綠色化學上的應用

3.1 分子篩催化劑

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，用于汽車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。與普通硅鋁催化劑相比，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復活性。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。

3.2 雜多酸催化劑

作為酸催化劑，其活性中心既存在于“表相”，也存在于“體相”。雜多酸有類似于濃液的“擬液相”，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，用于催化丙烯水合制異丙醇，轉化率中等，選擇性很高，是成功應用的典范。

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、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，在化工生產尤其是石油化工生產中被廣泛采用。

3.3固體超強酸催化劑

固體超強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、氧化氯代烴的還原等反應中都體現出優良的催化性能。

4.結語

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，制備過程復雜，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，采用綠色化工催化劑是實現生產零污染的一個必然趨勢。endprint