催化剂发展对化学工业的影响

科学技术   催化   合成氨   纳米技术

1.引言

    工业催化作为化学学科科学技术的典型代表不仅成为推动当代经济发展的动力，也成为增强综合国力的战略资源。21世纪是充满挑战的世纪，人类依然面临粮食短缺、能源枯竭、生态破坏、环境污染等问题。催化剂不仅在化学、化工生产以及医药等方面具有重要作用，而且影响着人类社会的长远发展。任何事物都存在两面性，催化作为客观存在的事物，自然也存在自身的利弊。现从两个催化的典型应用实例来阐述催化剂的发展对化学工业发展的影响。

2.合成氨催化剂

2.1合成氨催化剂的研究

    工业上使用的合成氨催化剂以四氧化三铁为主催化剂，其结构类似与天然矿物尖晶石MgAl₂O₄，根据相分析结果为α-Fe（体心立方结构）。实验结果表明，在α-Fe 中添加适量的助剂（如氧化铝、氧化钾、氧化钙、氧化镁和二氧化硅等） 可以改善其催化活性及催化剂稳定性。氧化铝是一种结构型助剂，可以束缚住表面游离的氧化钾，生成铝酸钾，减少其流失，还可以增加催化剂的抗硫性和抗氯性；氧化钾是一种电子型助剂，可以加快电子传递给氮气，提高催化活性，还可以中和氧化铝的酸性，减弱其对氨气的吸附；氧化钙和氧化镁的作用类似，可以显著的提高催化剂的低温活性；二氧化硅促进催化剂的物理结构的改变，从而调节表面钾离子的分布。20世纪80年代初期，研究者们在传统的铁基合成氨催化剂基础上，通过添加促进剂 （氧化钴） 来提高催化剂的活性。而且该类催化剂可以在较低的温度下进行反应，因此明显提高了氨的净产值。氧化钴可以使催化剂的晶格发生变化，减小还原态催化剂的晶粒度，显著增大比表面积，改善孔结构，提高催化剂活性。

2.2合成氨催化剂的影响

    合成氨的成功产业化生产，解决了粮食危机，Haber一度被认为是 “用空气制造面包的上帝”。但也增加了炸药的产量，变相的成为战争的促进剂。哈伯发明了催化剂，得以利用空气中无穷的氮：他用铁屑固定氮气，使成吨的氨和化肥从德国工厂源源涌出。恰在此后数月，通往智利的航道被切断，智利硝石和鸟粪的来源断绝；而那时，第一次世界大战阴云密布，德国正需储备军火。

    哈伯还掌握了催化剂的功能：化学反应中的催化剂削去了阻隔反应的山峰，降低了发生反应的临界点，暗掘通道，伸出分子的手臂拉近最难反应的对象，使它们之间成键或断键变得轻而易举。

3. 纳米技术在催化上的应用

    催化是早期依靠经验发展纳米技术的典型例子。由于纳米微粒的尺寸较小，表面占有的体积百分数较大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位数不全等原因，纳米级催化剂具有很多优越的条件。根据最新研究的纳米材料表面形态学，减小粒径将导致表面光滑程度变差，形成凹凸不平的原子界面，从而增加了催化反应的接触面积。近年来纳米颗粒催化剂越来越得到重视，被称之为第四代催化剂。纳米材料催化剂具有独特的晶体结构及表面特性（表面键态与内部不同，表面原子配位不全等），其催化活性和选择性都大大优于常规催化剂，甚至使原来进行很慢的反应也能完全进行。纳米尺度的催化剂将大幅度的提高化学反应的速率和燃烧的效率，同时还可以显著地减少废物排放和环境污染。

3.1 纳米二氧化钛

    纳米级的TiO₂催化剂表面具有大量的悬键，可以在能隙中形成缺陷能级，使催化剂表面具有很高的活性。这对纳米二氧化钛的光学性质将产生很大的影响，使其具有独特的光催化氧化活性。这在降解水体和空气中的有机污染物时表现出明显的效果，有机物和细菌等可以被分解氧化为二氧化碳和双氧水。纳米二氧化钛光催化剂的特殊作用正在引发一场所谓的“光洁净革命”。

3.2纳米分子筛催化剂

    沸石分子筛是一种水合结晶型硅酸盐，具有均匀的微孔，其孔径与一般分子大小相当，可以筛分大小不同的分子。分子筛具有独特的规整晶体结构，其中每一类沸石都具有一定尺寸、形状的孔道结构，并且具有较大的比表面积。大部分沸石的表面具有较强的酸中心，同时晶孔内强大的库伦场起到极化作用。这些特性使得分子筛成为性能优异的催化剂。有些沸石分子筛还具有独特的择形催化功能，可以控制产品的组成、提高产率。

    例如，使用改性的纳米ZSM-5沸石分子筛催化剂进行甲苯烷基化反应，可以得到高浓度的对二甲苯。利用ZSM-5分子筛产物择形的特点，美国的 Mobil 公司成功地开发了甲苯乙烯烷基化生产对甲乙苯的反应。对甲乙苯经脱氢后得到对甲基苯乙烯，后者经聚合可得到性能优良的高分子材料。

3. 3纳米技术的影响

    纳米技术将使人类开发利用技术经历了材料主导、能源主导、信息主导之后，正发生着三者在生物技术基础上相互融合和在纳米层次上相互融合为主导的新时代。纳米技术不仅打破了不同学科之间的壁垒，更重要的是推动了科学与技术之间的相互融合。科学的目标是认识世界，而技术的目标则是改造世界。科学与技术的完整统一，是科学与技术共同发展到一定阶段的必然结果。这是人类生存的客观需求与主观需求统一的必然要求，也为人类社会从必然王国走向自由王国指引了方向。纳米技术由于能显著的提高能源的利用率和存储能力，被广泛的用于监视和改善环境污染问题，调整工业的控制和生产以达到节约资源的目的。在纳米尺度上进行控制也意味着在定义物理、化学和生物特性的尺度上对其特性、现象以及过程进行精确的模拟设计。同时，纳米级的材料和小型机器能够净化空气、水等，还可以代替人类完成许多微小精细的工作，如疏通血管，靶向施药等。所以纳米技术具有改变人类特性的潜能，这要求我们在了解纳米技术发展的同时，也要意识到我们所面临的巨大挑战。

3.3.1对社会生产方式的影响

    纳米技术同其它科技进步一样，在社会运用中也是一把双刃剑。美国计算机专家 Bill Joy指出： “纳米技术极可能成为吞噬整个宇宙的癌症，因为我们难以保证哪一天，神奇的纳米盒子会成为潘多拉盒子，无数的纳米机器人会将人类世界作为它们制造产品的原材料。”纳米科技可以说是科学技术高度发展的成果之一，对社会进步，社会生产方式的进一步提高，具有巨大的促进作用。但是纳米技术的滥用，却极可能导致科技工具的异常膨胀，导致很多社会问题。

3.3.2对社会文明发展的影响

    纳米技术把具有无限丰富性的人性单一化为自然原子物性，一方面将人的有限的物质需求化为无限的物质欲望；另一方面，又将具有精妙整体性的人性扯得粉碎，而后再在原子或分子的层次去进行任意的分解和组合，这势必造成完整人性的分裂或崩溃。纳米技术等高科技对社会的负面影响，不可能单纯靠科学自身去解决，“人类要用理性的律令校正高科技的价值取向和使命意识”。

结束语

综上所述，催化科学是人类进步发展的动力，人类社会要想长治久安地发展进步下去，必须合理地利用催化科学技术，把科技发展应用于人类的和平事业，构建和谐社会，和谐世界。只有这样，才能充分享受科学技术发展所带来的福音。

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