催化劑載體

載體能使製成的催化劑具有合適的形狀、尺寸和機械強度，以符合工業反應器的操作要求；載體可使活性組分分散在載體表面上，獲得較高的比表面積,提高單位質量活性組分的催化效率。如將鉑負載於活性炭上。若用分子篩為載體，鉑可達到接近於原子級的分散度。載體還可阻止活性組分在使用過程中燒結，提高催化劑的耐熱性。對於某些強放熱反應，載體使催化劑中的活性組分稀釋，以滿足熱平衡要求；良好熱導率的載體，如金屬、碳化硅等，有助於移去反應熱，避免催化劑表面局部過熱。載體又可將某些原來用於均相反應中的催化劑負載於固體載體上製成固體催化劑，如磷酸吸附在硅藻土中製成的[固體酸催化劑]，酶負載在載體上製成的固定化酶。

主要體現在：

（1）固定TiO2、防止流失、易於回收和提高TiO2的利用率；

（2）增加TiO2光催化劑整體的比表面積；

（3）提高光催化活性。因為某些載體可與TiO2發生相互作用，有利於E－H+的分離並增加對反應物的吸附，同時實現載體的再生；

（4）提高光源利用率。如將TiO2製成薄膜后，化劑表面受到光照射的催化劑粒子數目增加；

（5）將催化劑用載體固定，便於製成各種形狀的光催化反應器。

光催化劑載體首先要求能改善所擔載的物質的組織結構（如增加孔隙、表面積等），同時由於光催化劑是靠光和催化劑的結合來發揮催化作用的，只有被光激活的催化劑才具有光催化效果。因此，良好的光催化劑載體應具有以下特點：具有良好的透光性；在不影響TiO2催化活性的前提下，與TiO2顆粒間具有較強的結合力；比表面積大；對被降解的污染物有較強吸附性；易於固液分離；有利於固－液傳質；化學惰性等。

目前，國內外研究較多的催化劑載體有：SiO2，Al2O3、玻璃纖維網（布）、空心陶瓷球、海砂、層狀石墨、空心玻璃珠、石英玻璃管（片）、普通（導電）玻璃片、有機玻璃、光導纖維、天然粘土、泡沫塑料、樹脂、木屑、膨脹珍珠岩、活性炭等。

天然礦物類物質本身具有一定的吸附性和催化活性，且耐高溫，耐酸鹼，常被用作催化劑的載體。目前已被用作TiO2載體的有硅藻土、高嶺土、天然浮石和膨脹珍珠岩等。劉勛等研究了幾種不同天然礦物（硅藻土、蛭石、高嶺土、膨潤土、硅灰石和海泡石）與納米TiO2的複合。結果表明，在6種天然礦物所製得的複合材料中，以海泡石光催化降解效率最高，作用6h后，對甲基橙光降解率達到98%。其次是硅藻土和硅灰石，分別達到87%和85% 。且光催化降解效率與天然礦物吸附能力呈一一對應關係。陳愛平等以輕質絕熱保溫建築材料膨脹珍珠岩作載體，製得了能長時間漂浮於水面的納米TiO2負載型光催化劑，用於水面浮油的太陽光光催化降解。周波等採用天然浮石為載體負載TiO2作光催化劑，利用高壓汞燈為光源對有機磷農藥的光催化降解進行了研究。結果表明，濃度為1.2×10－4 mol·L－1的農藥光照2h左右可完全被光催化氧化為PO4。

這類載體為多孔性物質，比表面積較大，是使用最為廣泛的一類載體。用作負載TiO2的吸附劑類載體主要有活性炭、硅膠、多孔分子篩等。吸附劑類載體可以獲得較大的負載量，可以將有機物吸附到TiO2粒子周圍，增加界面濃度，從而加快反應速度。崔鵬等將活性炭負載到TiO2膜作為光催化劑對甲基橙水溶液進行了光催化降解試驗。結果表明，與商品化的TiO2微粉光催化劑的降解性能相比，其降解速率較高，由於TiO2/C光催化劑中活性炭良好的吸附性能，使得光催化反應體系內產生了吸附－反應－分離的一體化行為，提高了光催化速率。國外的V.M.GuNk等研究表明，在不同負載量下，TiO2在硅膠表面均沒有形成連續塗層；TiO2和SiO2之間的作用力包括氫鍵、靜電力和少量的Si－O－Ti鍵，SiO2抑制了TiO2從銳鈦型向金紅石型的相變。國內的鄭光濤等採用溶膠－凝膠法將改性后的高效TiO2光催化劑負載於球形硅膠上，得到了具有混晶結構、大比表面積、高活性的納米TiO2光催化劑。負載后的催化劑在紫外區具有強的吸收，比表面積達到379.8m·g－1。鄭珊等合成了TiO2呈單層分散或雙層分散狀2態的多孔分子篩MCM－41。結果表明，負載后，MCM－41孔道表面的SiO2以化學鍵相連生成Si－O－Ti鍵。

玻璃價廉易得，具有良好的透光性，便於設計成各種形狀，引起了研究者的重視。用於TiO2光催化劑的載體有玻璃片、玻璃纖維網（布）、空 心玻璃珠、玻璃螺旋管、玻璃筒、石英玻璃管（片）、普通（導電）玻璃片、有機玻璃等。張新英等以空心玻璃微球為載體，用溶膠－凝膠法製備負載型複合光催化劑，所得催化劑可以漂浮在水面上，便於回收和重新利用。

陶瓷也是一種多孔性物質，對TiO2顆粒具有良好的附著性，耐酸鹼性和耐高溫性較好，也可用作催化劑載體。若在日常使用的陶瓷上負載TiO2，可以製成具有良好自潔功能的陶瓷，起到凈化環境的作用。賀飛等採用溶膠－凝膠法，在自製的陶瓷釉體表面製得粒徑大小為40～100nm的TiO2晶粒。它緊密結合，形成透明均一無“彩虹效應”的TiO2光催化薄膜型自潔功能陶瓷，具有超級親水性和去污功能。

由於TiO2在陽光下能光催化氧化降解有機物，所以一般不用有機材料做載體。而某些高分子聚合物，如飽和的碳鏈聚合物或氟聚合物，有較強的抗氧化能力，所以也可以用於負載型TiO2的研究。但由於·OH-，·O2-的強氧化性，這些高分子聚合物載體只能在短期內使用。目前，用於負載TiO2的高分子聚合物載體有：聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯、聚丙烯、ABS，NAfiON薄膜等。劉平等研究認為，TiO2粒子的形成與長大均限制在NAfiON的微小孔籠中，粒子形成過程所需的物質傳遞也僅能通過小通道進行；在該實驗的合成條件下，TiO2晶體大小僅取決於NAfiON孔籠直徑。

此外，在載體選擇時，必須對效率、催化活性、催化劑負載的牢固性、使用壽命、價格等作綜合考慮。

目前全球尾氣凈化器催化載體的生產商主要有5家，康寧、NGK、Denso、Ibiden和Emitec，其中康寧和NGK兩家為陶瓷載體和微粒過濾器的行業領先者。其中庄信萬豐的陶瓷催化劑載體就來自康寧科技。

汽車尾氣凈化載體主要的5家生產商

資料來源：產業信息網整理

康寧環境2012年汽車尾氣環保凈化業務收入為59.7億元，陶瓷載體銷售收入約為36億元，其中來自柴油車陶瓷載體銷售收入為7.96億元。該公司在全球共有5家工廠設施，分別位於紐約、弗吉尼亞州、德國、中國及南非。根據該公司市場佔有率計算，當前全球汽車尾氣凈化市場容量高達300億元，陶瓷催化劑載體的市場空間就達120億元。

（本文作者：209）

關鍵字：催化劑

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