碳納米管作為催化劑載體的應用探究

任丙南(三亞學院海洋研究所,海南 三亞 572022)

1.1 碳納米管具有自由移動的電子

碳納米管與石墨結構類似，具有大量自由電子可沿著管壁移動，這就是碳納米管既有金屬導電性，又具有非金屬的半導體性質的原因。當碳納米管具有某些特殊的缺陷時，可同時具有金屬的性質和半導體的性質，而碳納米管的缺陷可以通過科學的手段引入甚至對缺陷進行位置調整，這就為改變和調節碳納米管的電性能提供了可能。

1.2 碳納米管比表面積大

碳納米管的比表面積大，硬度高，且具有高的熱穩定性。碳納米管是石墨碳原子層曲卷形成的無縫、中空的管體，因此具有極大的比表面積，這也是碳納米管成為科研工作者研究熱點的重要原因之一。

碳納米管的內部結構決定了其具有良好的硬度、優異的機械性能、獨特的光電性，這就使得它在復合材料、納米半導體材料、催化劑載體等領域具有重要的研究價值及應用價值。

2 碳納米管作為催化劑載體的應用

2.1 碳納米管電學性能的應用

碳納米管具有大量能自由移動的未成對電子，這就使得碳納米管兼具金屬的導電性和半導體性能。相對于石墨中的自由電子，碳納米管管壁內自由移動的電子具有更低的結合能，這就證明碳納米管內的電子具有更強的流動性和逃逸能力，這一點通過XPS試驗分析，已經得到證實。碳納米管的這種獨特結構更能促使其對負載的活性成分發生相互作用，從而促進催化反應。我國科學家陳鴻博研究組對以碳納米管作為載體的鉀促進釕基催化合成氨進行了探究，實驗表明，碳納米管相對去石墨等其他催化劑載體而言，具有更高的活性。碳納米管作為催化劑載體，能提高催化性能的主要原因是電子效應。通過對碳納米管缺陷的引入及位置的調控，可改變碳納米管的電學性能，從而產生有益于催化反應的電子效應，提高催化性能。

2.2 碳納米管內腔結構的應用

碳納米管的空腔可作為催化位置，通過控制碳納米管的空腔的大小，選擇和區別不同尺寸、不同形狀的物質。碳納米管的內腔可以容納1.8nm的具有催化活性的物種，并未其提供分子擴散和反應的空間，從而保障反應物的反應活性在較高的維持范圍內；管內的空間限制對反應物和中間態的的空間取向具有良好的導向作用，從而對產物具有優良的選擇性。張宇等關于碳納米管作為催化劑載體對于反應的轉化率及選擇性做了較為系統的研究。該組以碳納米管為載體的銠膦絡合物催化劑催化丙烯氫甲酰的反應為例，對反應的催化性能進行了探究。實驗結果表明碳納米管內腔為載體的催化劑具有更好的催化性能，丙烯氫甲酰的轉化率可達到32%，且產物具有良好的選擇性；而內腔未被利用的，同類催化劑的催化性能相對較低，丙烯氫甲酰的轉化率僅為17.2%，反應產物的選擇性也較差。綜合結果表明，碳納米管的內腔對提高該反應催化劑的催化性能及產物的選擇性具有積極意義。

2.3 碳納米管的儲氫性能的探究

碳納米管的比表面積大，因此具有良好的儲氫性能。在不改變溫度等外界條件下，嵌入鉀或者鋰后，可提高14%-20%的儲氫量。以碳納米管為載體，嵌入過渡金屬氧化物制成的催化劑，用于催化加氫合成甲醇時，過渡金屬的氧化物異裂氫分子，產生的氫正離子和氫負離子轉移到碳納米管上，以CHx的形式儲存，CO在過渡金屬Rh上活化后，儲存的CHx釋放氫正離子和氫負離子，并加到CO上，從而完成一氧化碳（CO）加氫合成甲醇（CH3OH）的過程。通過測試發現，碳納米管為載體制成的催化劑性能明顯優于以氧化鋁（Al2O3）為載體的銅催化的催化性能，且選擇性方面更具優越性，可使產物產率高達98%。另外，Rodkigues研究組將鐵-銅催化劑（Fe-Cu）分別負載到氧化鋁（Al2O3）、活性炭和碳納米管上，研究三種不同載體的同種催化劑對催化乙烯加氫反應的影響。實驗結果顯示，以氧化鋁（Al2O3）為載體的催化活性最差，其次為活性炭為載體的催化劑，催化活性最好的是以碳納米管為載體的催化劑。這一組對比實驗表明載體能改善催化劑的活性主要是由于金屬晶粒與載體之間能發生相互作用，碳納米管的儲氫性能就是其中的一個作用。在未來的應用研究工作中，應重點研究碳納米管與活性組分間的相互作用情況、催化活性位的確定、催化劑在碳納米管內的分散情況、負載物種在催化反應過程中的作用等問題，這是碳納米管做為催化劑載體得以廣泛應用需要解決的關鍵問題。

3 碳納米管應用前景展望

碳納米管做為納米材料的一種，在微觀結構及性能方面具有獨特的優越性，這是其具有良好發展前景的基礎。隨著研究的不斷深入，人們對碳納米管的性能將更加了解，從而利用其獨特性能設計更多的應用產品，由此可以預見，碳納米管未來在化學催化領域必將得到廣泛應用。

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