【高瞻特辑-化学催化反应】如何增进催化剂活性(Catalys

本系列文章译自日本报导

对化学家和化学工程师而言,发展出超高效率的催化剂正是他们最大的梦想。这个愿望短期内恐怕仍无法实现,但至少现在我们已经掌握了许多资料,知道如何增进催化剂的活性。一步一步来,我们正朝着化学家的梦想迈进。

【高瞻特辑-化学催化反应】如何增进催化剂活性(Catalys

图一:催化剂载体的形状

金属颗粒尺寸 (Metal Particle Size)

固态金属催化反应中,化学反应是在奈米尺度的金属表面进行。金属颗粒越小,分散度越高,活性越大。市售钯‧碳或铂‧碳複合的催化剂颗粒尺寸约是直径二至四奈米左右,亦即每个颗粒是由两百到五百个原子聚集而成。我们的目标是合成出只由十三个原子立方最密堆积而成的最小颗粒。要达到这个目标,选择恰当的金属盐类或金属错合物,以及找出最好的还原实验条件是很重要的。一般而言,在液态氧化反应中,催化剂大小在十奈米左右活性最好。

蛋壳型催化剂 (Eggshell Type Catalyst)

另一种愈发常见的做法是,将金属镀在载体的表面上。这种方法不仅常用于固定床催化剂(fixed bed catalysts),也用于浮床催化剂(slurry bed catalysts)。蛋壳型催化剂最初是用在聚合树脂的氢化反应。此类催化剂也用于聚合物单体加氢反应,以及氢解、氧化、乙酸化、聚合反应等。若是使用双金属催化剂,则是将不同的金属依同样比例镀在同一表面上。这种催化剂通常需要一再地试验才能成功,例如在多管气相反应炉中将乙烯和醋酸反应合成醋酸乙烯酯(Vinyl acetate)时会使用的催化剂:钯¬‧铅‧氧化硅粉末。以合成醋酸乙烯酯来说,使用蛋壳型催化剂的比起内层填充的做法,初始的时空产率(space time yield, STY)高了一点六八倍。甚至在反应超过三千小时后时空产率仍高出一点零五倍。

增加表面积(Increasing geometric surface area)

如果将(蛋壳型)金属催化剂镀在表面上,小颗粒能比大颗粒在几何上提供更多的表面积,因此有更高的活性。举例来说,直径一点五釐米比起三釐米的催化剂表面积高出四倍。也就是说,浓度2%,直径一点五釐米的铅‧氧化铝溶液,只要两百五十毫升就相当于一公升的浓度0.5%,三釐米铅‧氧化铝溶液,催化剂的使用量可以减少四分之一(在此先不考虑其他因素如粉末分布,压力差等等)。

其次,催化剂载体的形状也很重要。这些是目前发展出的载体类型,包括单孔型,车轮型,十孔型等(如图一)。这些催化剂载体在蒸气重组反应(steam reforming reaction)中有很高的活性。

参考文献:
1) USP USP 4,048,096 Dupont
2) USP 4,337,178
3) Toshio Matsuhisa, Catalyst & Catalysis ,Vol.48, No.5, 326 (2006)

作者资讯:
Inovation Design Laboratory
Waseda University
Takashiro. Muroi
TEL&FAX +81-29-873-8844
E-mail: t.muroi@kurenai.waseda.jp


● 特别感谢 Muroi Takashiro 教授提供原文及李祐慈博士提供此译稿。


上一篇:
下一篇:

相关推荐