催化劑載體

催化劑載體

催化劑載體又稱擔體(support),是負載型催化劑的組成之一,是催化劑活性組分的骨架,支撐活性組分,使活性組分得到分散,同時還可以增加催化劑的強度。但載體本身一般並不具有催化活性。

多數載體是催化劑工業中的產品,常用的有氧化鋁載體、矽膠載體、活性炭載體及某些天然產物如浮石、 硅藻土等。常用“活性組分名稱-載體名稱”來表明負載型催化劑的組成,如加氫用的鎳-氧化鋁催化劑、氧化用的氧化釩-硅藻土催化劑。

基本介紹

  • 中文名:催化劑載體
  • 外文名:support
  • 又稱:擔體
  • 定義:負載型催化劑的組成之一
分類,作用,種類,天然礦物,吸附劑,玻璃,陶瓷,有機分子,

分類

催化劑載體種類較多,有金屬氧化物載體、分子篩載體及其他載體。

作用

主要體現為:
(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製成薄膜後,催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。

種類

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、天然粘土泡沫塑膠、樹脂、木屑、膨脹珍珠岩、活性炭等。

天然礦物

天然礦物類物質本身具有一定的吸附性催化活性,且耐高溫,耐酸鹼,常被用作催化劑的載體。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、膨潤土矽灰石海泡石)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後,對甲基橙光降解率達到98%。其次是硅藻土和矽灰石,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

吸附劑

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、矽膠、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在矽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-凝膠法將改性後的高效TiO2光催化劑負載於球形矽膠上,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。負載後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態的多孔分子篩MCM-41。結果表明,負載後,MCM-41孔道表面的SiO2以化學鍵相連生成Si-O-Ti鍵。
海泡石結構示意圖海泡石結構示意圖

玻璃

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。有人認為可以採用:物料研磨→篩分→配料→混合→加水→混合→擠壓成型→乾燥→燒成,這一路線製備多孔催化劑載體。

陶瓷

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,起到淨化環境的作用。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。

有機分子

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。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。

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