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提高催化剂寿命,能为我们省下多少钱?

发布者:admin发布时间:2024-05-17访问量:27

出品:科普中国

制作:量子萌新

监制:中国科学院计算机网络信息中心

“催化剂”这个概念,似乎离我们的平常生活太远。除了偶尔在汽车尾气排放的新闻中听到这个词之外,似乎就只有化学书中的那一句“改变反应速率但不参与反应的物质”了。

然而,在我们平日看不到的工业侧——制造塑料袋需要催化剂;合成橡胶需要催化剂;工业“三酸两碱”之一的硫酸,在制造过程中也少不了钒催化剂的参与。

可以说,如果没有这些催化剂,我们现有的生活质量会倒退一百多年。

催化剂:用处很多,弱点也不少

催化剂的类型多种多样。按照状态可以分成固体与液体催化剂两种;根据参与的反应不同,还可以分为均相催化剂与异相催化剂。而最重要的催化剂莫过于固体异相催化剂。

比起液体催化剂,这类固体催化剂容易运输,容易使用,也容易回收再利用。举个例子:把砖头扔进水里,找回来尚且容易;把饮料倒进水里,想找回来可就难如登天了。

△蜂窝形状的化学催化剂(图片来源:http://tu.ossfiles.cn:9186/group2/M00/6B/92/rBgICV6OkUqAR-IRAAFbQW87nbc702.jpg)

在西方,曾经有一个笑话是这样讲的:“如果有人想自杀,那只需要凑到汽车排气管的位置吸两口尾气就行了”。

这个笑话虽然荒诞,但在早期没有尾气处理装置的时候,汽车尾气确实有大量氮氧化物、碳氢化合物与一氧化碳。吸两口虽然不至于送命,但绝对不会让那个勇士有多舒服。

尾气排放还会给环境造成极大污染。曾经的洛杉矶光化学烟雾事件的罪魁祸首,就是没有经过处理的汽车尾气。

而现在,高效的尾气处理装置可以通过催化化学反应,将氮氧化物分解,并利用分解的氧气将一氧化碳、碳氢化合物氧化为二氧化碳和水,从而大大降低尾气的污染。

催化剂有百利,但也有不少弱点。最大的弱点就是催化剂失活的问题。由于催化作用的原理是让反应物附着在催化剂表面,从而加速反应,所以一旦表面被其它物质覆盖,催化效率就会大打折扣。

以尾气催化剂为例,如果催化剂上起催化作用的位置附着上了燃油中未完全燃烧的碳或是硫,那么这个位置就不再有催化能力了。在专业领域我们称之为“催化位点失活”。

因此,想保证催化剂的催化性能,就要减少杂质附着,或者增加催化位点的数量。前者通过提纯反应物来降低影响,而后者就是在催化剂上下功夫。

之前我们已经提到,催化作用仅在催化剂表面发生,那不管催化剂有多厚,发生的部分也只是那薄薄的一层或者两层原子。

在此机制下,曾经的催化剂是板状或蜂窝状。但在现代科技的加持下,催化剂可以在微观尺度上变成网状或是框架结构,这大大增加了相同质量下的表面积(比表面积),从而让现代催化剂的催化能力大大增加了。

△催化剂的催化位点(图片来源:https://cen.acs.org/synthesis/catalysis/Catalyst-boosts-prospects-fuel-cell/99/i3)

然而,越是精巧的东西,就越容易坏。精巧的空心结构使得其稳定性远不如实心的“老古董”结实。

在超过一百摄氏度的工作温度下,原子热运动可能会让其离开自己的位置,跑到其它原子旁边,从而让网状的孔洞发生塌陷;小的颗粒也会在热运动的帮助下附着在大的颗粒上。

这个比表面积下降、结构被破坏的过程,在宏观上十分类似于土壤板结的样子,分别被称为粒子迁移和聚结(PMC),以及奥斯特-瓦尔德熟化(OR)。

全球每年因工业催化剂、催化剂失活引起的催化剂替换、再生成本达数百亿人民币。除了应对贵金属催化剂日渐攀高的需求,其纳米技术所带来的严峻的稳定性问题也亟需解决。

提高催化剂寿命,中国提出解决新方案

既然高温下原子热运动是催化剂板结的主要因素,那降低温度可以解决问题么?

答案是肯定的,也是否定的。降低温度确实可以让催化剂保持活性,但低温也会显著降低化学反应的速度,一来一回等于没有进展。

此时,我们便要引入一个称为“塔曼温度”的概念。只有在这个温度之下,原子才有可能长期稳定在自己的位置上。这样一来,让临界温度达到塔曼温度就成为了重中之重。

那么,只需要在临界温度,就可以得到在更高温度下稳定的材料;而临界温度与原子间相互作用密切相关。

若是相互作用太弱,原子所受的约束就很小,很容易受热离开;而若是相互作用太强,又很难让小颗粒不与大颗粒结合在一起。也就是说,需要找到一个强弱的平衡点。

近日,由中国科学技术大学李微雪教授所领导的理论与计算催化团队提出了解决方案。

该团队结合研究了323种单组分载体负载的纳米催化剂生长速率和金属与载体界面作用强度之间的关系,揭示存在有一般性的火山型依赖关系。

△火山型依赖关系,左侧为OR效应主导,右侧为PMC效应主导(图片来源:https://scms.ustc.edu.cn/_upload/article/images/ac/65/2cb854bb42cebfe366687e35c172/ab29596a-1679-4293-a71b-d665c8f03889.png)

由此,提出了界面作用调控纳米催化剂抗烧结的Sabatier作用原理:界面作用既不能太强,否则会导致以奥斯特-瓦尔德熟化的方式失活;也不能太弱,否则会导致以粒子迁移碰撞的机制失活。

在单组分载体上,由于界面作用标度关系的限制,仅当界面作用强度取值适中时,纳米催化剂稳定性达到最优,其耐烧结温度为金属熔点一半,即长期以来经验发现的所谓塔曼温度。

同时,该团队以纳米金Au催化剂为例,检索收集了大量已发表的实验数据,实验结果与理论预测高度一致。

根据这项理论,我们可以仅通过少量实验就得到高寿命的高活性纳米催化剂,降低了实验成本与时间消耗。提升催化剂使用寿命,也就降低了催化剂的使用成本。

同时,延长使用寿命也意味着延长了催化剂的更换时间间隔,从而提升了生产效率,降低了时间成本。

可以说,这项“八年磨一剑”的尖端成果刊登在三大科学期刊之一的《科学》上,反映了中国在计算材料学研究方面不仅处于世界领先地位,同时这项研究也得到了世界的充分认可。

但这就是纳米催化剂的极限了么?不是的。

除了真正稳定的结构之外,在化学中还有一组称之为“亚稳定”的结构。亚稳定结构的意思是尽管在这个温度下并不是最稳定的状态,但由于分解需要的能量很难得到,因此可以长期存在。

常见的例子就是氢气和氧气,仅需要一点火星就可以迅速燃烧变成水,但如果没有这一点火星,哪怕是温度再高也无法发生反应。

△亚稳态催化剂示意图(图片来源:https://scms.ustc.edu.cn/_upload/article/images/ac/65/2cb854bb42cebfe366687e35c172/f91a085d-e287-4f05-8257-0b8ff186011e.png)

在催化剂中,可以通过强吸附性载体与弱吸附性载体交替分布,让催化位点附着在强吸附性载体上,以得到亚稳态纳米金属簇结构,从而在火山峰之上继续提升热稳定性,这个结构称之为“S@W”(异能载体)。

这个结构还可能在催化剂与载体的边界处形成新的位点,从而继续提高催化效率。这样的异能载体可以同时提高负载型纳米催化剂的稳定性和活性。

可以说,中国科学技术大学的这项研究打破了那个曾经世界都认为是极限的温度,让不可能变为可能。

尽管科学并无国界,但一篇寥寥几页的论文并不能承载数十名科学工作者八年的全部努力成果。而无论是这方面计算模型还是计算理念,我国已经领先一步。这意味着我国将在化工催化剂方面率先应用此成果,率先降低生产成本,甚至于在一段时间内在催化剂寿命让我国处于领先地位。

尽管这项研究刚刚脱离理论阶段,但这项理论已经可以应用于计算不同催化剂的最合适的载体以及其临界工作温度。

借助于这项理论,可以大幅度降低在催化剂寿命测试上的投入,同时通过延长催化剂寿命,可以大幅降低化工行业中贵金属的使用,以及减少由于催化剂活性降低导致的需要更换催化剂而停产的时间,这都是降低了直接成本。

但催化剂工艺的发展能为我们带来的贡献,除了直接看到的成本减少之外,还有环保开销的减少与生态环境的改善。降低每年需要再生的催化剂数量,保持汽车尾气及工业废气废水的处理催化剂的高活性,都可以降低环境污染水平、减少环保开支。

留下了绿水青山,自然就有了金山银山。