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海南多孔氮化硼,會是催化劑載體界的一匹黑馬嗎?

作者:錄入 日期:2022-01-06 人氣:32582

多孔材料是優(yōu)秀的催化劑載體已不是一件新鮮事了,多孔帶來的大比表面積不僅能分散和穩(wěn)定納米粒子,使催化劑能夠大限度發(fā)揮其作用,還能降低它的使用量、提高它的壽命。像氧化鋁、碳化硅、碳材料等,都是常見的催化劑載體材料。

相比之下,多孔氮化硼在這方面的應(yīng)用就鮮有報道了。氮化硼本身便具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、抗氧化性等優(yōu)異的物理化學(xué)性能,在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應(yīng)用前景。氮化硼中常用的有立方氮化硼(c-BN)及六方氮化硼(h-BN),而催化劑載體的研究基本集中在后者上。



多孔氮化硼TEM圖像

h-BN的晶體結(jié)構(gòu)具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu),有著優(yōu)異的化學(xué)物理性質(zhì),不僅具有良好的疏水性能,而且還具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能,這些性質(zhì)使得h-BN在吸附、儲氫、催化等領(lǐng)域逐漸受到重視,而很多研究者將其視為優(yōu)異的催化劑載體。

一、多孔氮化硼作為催化劑載體具有什么優(yōu)勢?

與傳統(tǒng)氧化物載體、多孔碳載體相比,多孔氮化硼材料具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗酸堿腐蝕性能,即使在較高溫度下,其化學(xué)性能及熱性能變化很小,尤其是氮化硼材料能使負(fù)載的貴金屬(如Pt)更好地保持還原態(tài),在深度氧化等反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)催化劑載體的性能。

銀納米顆粒與氮化硼的混合結(jié)構(gòu),用于催化轉(zhuǎn)化CO

楊曉龍等利用MgO/h-BN復(fù)合載體負(fù)載的Ru基氨合成催化劑對氨合成反應(yīng)進(jìn)行催化,由于MgO/h-BN載體上存在較多的堿性位,所以表現(xiàn)出優(yōu)秀的催化活性;G.Postole等利用兩種不同比表面積(115m2/g、184m2/g)的氮化硼作為負(fù)載劑,鈀作為催化劑對丙烯氧化反應(yīng)進(jìn)行催化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮化硼中含有氧元素時負(fù)載的氧化鈀催化劑比純氮化硼的催化效果更好??梢灶A(yù)見,多孔氮化硼材料將有望在多領(lǐng)域成為新一代高性能催化劑載體。

二、是否存在不足?

目前學(xué)者們已經(jīng)研究出很多制備高比表面積氮化硼的方法,常用的有水(溶劑)熱法、化學(xué)氣相沉積法、模板法等,但它們多少都存在一些缺點,使得多孔氮化硼載體目前還不能很好地適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)。

①模板法:模板法是以模板為主體構(gòu)型去控制、影響和修飾材料的形貌、控制尺寸進(jìn)而決定材料性質(zhì),根據(jù)所用模板性質(zhì)不同,該方法分為以共價鍵維持其特定結(jié)構(gòu)的硬模板和以分子內(nèi)的弱相互作用維持其結(jié)構(gòu)的軟模板兩大類。采用硬模板可以將模板的孔結(jié)構(gòu)復(fù)制到氮化硼中,得到高比表面的多孔氮化硼材料,但此法雖然可以有效控制孔的大小,但是過程繁瑣;而軟模板法就更不適合了,與硬模板法相比它不僅制備周期更長而且成本也更高。

具有代表性的兩種有序介孔材料的合成路線

(a)軟模板法;(b)硬模板法

③水(溶劑)熱法:水(溶劑)合成法是將水溶液(或者有機(jī)溶劑)作為反應(yīng)載體,然后在高溫(100℃-1000℃)、高壓(1MPA-1GMPa)的反應(yīng)條件下,反應(yīng)物重新結(jié)晶。但這個方法的缺點在于,一是制備過程中對反應(yīng)條件控制難,難以控制生成目標(biāo)孔結(jié)構(gòu);二是產(chǎn)率較低,不利于工業(yè)化生產(chǎn)。

②化學(xué)氣相沉積法:化學(xué)氣相沉積法又稱催化裂解法。該方法原理是應(yīng)用氣態(tài)物質(zhì)在固體上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生固態(tài)沉淀物的一種工藝。這種工藝的優(yōu)勢在于制備原理簡單、原料成本較低;缺點則是過程可控性低,不適合工業(yè)生產(chǎn)。

綜上所述,尋找一種能穩(wěn)定制備高比表面、高晶化度、穩(wěn)定性更好的多孔氮化硼材料的工藝將是未來的發(fā)展方向。

三、總結(jié)

雖然在成本上,多孔氮化硼材料目前還比不過數(shù)種已被廣泛應(yīng)用的材料,但它大的優(yōu)勢在于能夠?qū)r格昂貴、易團(tuán)聚的貴金屬納米催化材料進(jìn)行有效的分散,從而大限度地利用其催化活性,大大降低其用量。也就是說,Pt等貴金屬納米催化劑的發(fā)展,與多孔氮化硼等高性能催化劑載體是離不開關(guān)系的。

隨著在能源、催化和生物等領(lǐng)域應(yīng)用的拓展,多孔氮化硼材料的控制合成和性能研究將越來越受到重視。假以時日,當(dāng)多孔氮化硼的制備技術(shù)進(jìn)步至可穩(wěn)定工業(yè)生產(chǎn)的階段,它的優(yōu)秀性能必將為它帶來一片廣闊的應(yīng)用前景。

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