化工工艺中催化剂载体材料的研究与进展

摘 要： 近年来，催化剂载体材料在化工工艺中的研究越来越引起人们的关注。催化剂载体材料的性能和结构直接影响着催化反应的效率和选择性。因此，对新型催化剂载体材料的研究成为目前化工领域的研究热点之一。介绍了新型催化剂载体材料的研究进展，包括纳米载体材料、多孔材料、金属-有机骨架、氧化物载体材料、多功能载体材料、生物基催化剂载体材料等。接着，重点讨论了催化剂载体材料的表面改性和结构优化的研究进展，并探讨其在化工工艺中的应用前景。

关 键 词：化工工艺；催化剂；载体材料；研究进展

中图分类号：TQ426 文献标志码： A 文章编号： 1004-0935（2024）08-1261-04

催化剂载体材料是化工工艺中不可或缺的关键组成部分，可以提高催化反应的效率和选择性，降低能源消耗和环境污染。近年来，随着科技的不断发展和需求的变化，催化剂载体材料的研究取得了显著的进展。从纳米载体材料到多孔材料，从金属-有机骨架到氧化物载体材料，不断有新型催化剂载体材料问世。同时，通过表面改性和结构优化，催化剂载体材料的性能也得到了进一步提升。这些研究成果为化工工艺的创新和可持续发展提供了新的契机和挑战。

1 化工工艺中催化剂载体材料的定义和作用

1.1 化剂载体材料的概念

催化剂载体材料是指在化工工艺中用于固定催化剂的介质或基底材料，它是催化剂的主体部分，具有良好的化学稳定性和物理性能，能够提供足够的表面活性位点，使催化剂有效地与反应物发生接触并进行反应。

催化剂载体材料的选择十分重要，不仅需要具备高的比表面积和孔径分布，还需要具备一定的热稳定性、化学稳定性和机械强度，以保证催化剂长时间稳定工作。同时，催化剂载体材料还要适应不同反应条件下的需求，如高温、高压、腐蚀介质等。

催化剂载体材料在化工工艺中发挥着至关重要的作用，它能够提供大量的有效表面积，增加催化剂与反应物之间的接触面积，有效提高反应速率。催化剂载体材料能够提供必要的结构支撑，并保持催化剂颗粒的稳定分散状态，防止颗粒堆积和聚集，从而确保催化剂的活性和选择性。

1.2催化剂载体材料在催化反应中的作用

催化剂载体材料在催化反应中的作用主要包括以下几个方面：

1.2.1提供活性位点

催化剂载体材料能够提供丰富的表面活性位点，这些位点能够吸附和激活反应物，促使催化反应的进行。催化剂载体材料具有较大的比表面积，能够增加活性位点的数量，从而提高反应速率和效果。

1.2.2促进反应物扩散

催化剂载体材料具有良好的孔隙结构，能够提供足够的通道让反应物分子在催化剂上进行扩散，从而增加反应物与活性位点之间的接触机会，加快催化反应的进行。

1.2.3稳定催化剂分散

催化剂载体材料能够帮助稳定催化剂的分散状态，防止催化剂颗粒的聚集和堆积，从而保持催化剂的活性和选择性。良好的分散状态可以使反应物与活性位点充分接触，提高催化剂的效率和稳定性。

1.2.4调控反应条件

催化剂载体材料的选择和设计可以灵活调控催化反应的条件，如温度、压力、气体流速等，从而优化反应条件，提高催化反应的速率、选择性和产率。

1.2.5抑制副反应

催化剂载体材料能够有效阻止副反应的发生，促使所需反应途径地进行。通过选择适当的载体材料，可以调整催化剂的活性和选择性，达到抑制副反应、提高产品纯度的目的。

2 化工工艺中催化剂载体材料的特点与要求

2.1催化剂载体材料的物理化学特性

催化剂载体材料的物理化学特性是其研究与进展中非常重要的一部分。

2.1.1比表面积

催化剂载体材料应具有较大的比表面积，以提供更多的活性位点和吸附反应物的表面积，增加反应物与催化剂之间的接触，提高反应效率。高比表面积还能增加催化剂的负载量，提高催化剂的活性和稳定性。

2.1.2孔隙结构

催化剂载体材料的孔隙结构直接影响到反应物分子的扩散速度和催化反应的进行。合适的孔隙结构可以提供足够的扩散通道，增加反应物与催化剂之间的接触机会，加速反应速率。同时，孔隙还能提供空间支撑，保持催化剂颗粒的分散状态，避免颗粒聚集和堆积。

2.1.3化学稳定性

催化剂载体材料应具备良好的化学稳定性，能够耐受催化反应条件下的酸碱、氧化还原和高温等环境，防止材料的溶解、变形或活性位点的失活。材料的稳定性对催化剂的长期活性和使用寿命至关重要。

2.1.4热稳定性

催化剂载体材料在催化反应过程中通常会面临高温条件，因此需要具备良好的热稳定性，防止材料的脱水、结构破坏或颗粒烧结。热稳定性的提高有助于延长催化剂的使用寿命和保持催化剂的活性。

2.1.5机械强度

催化剂载体材料应具备一定的机械强度，以防止在催化反应过程中产生颗粒磨损、碎裂或压缩变形等现象。较高的机械强度有助于保持材料的稳定性和活性，从而提高催化剂的使用寿命，随着科学技术的不断进步，对催化剂载体材料的研究与改进将推动催化剂技术的创新与应用。

2.2催化剂载体材料的稳定性和活性

2.2.1稳定性要求

1）化学稳定性：催化剂载体材料应具备良好的抗酸碱、氧化还原和腐蚀等特性，以在催化反应条件下不发生溶解、变形或失活。这样能够确保催化剂的长期稳定性和持续活性。

2）热稳定性：催化剂载体材料应能够耐受高温环境，不发生热解、烧结或结构破坏。这对于保持催化剂的形状稳定性和活性非常重要。

3）机械强度：催化剂载体材料应具备一定的机械强度，能够抵抗催化反应中的颗粒磨损、碎裂或压缩变形。较高的机械强度可以延长催化剂的寿命，同时保持催化剂的活性。

2.2.2活性要求

1）比表面积：催化剂载体材料应具备较大的比表面积，以提供更多的活性位点，加速催化反应的进行。较高的比表面积可以增加反应物与催化剂之间的接触面积，提高催化效率[1]。

2）孔隙结构：催化剂载体材料的孔隙结构应具备合适的孔径和孔隙分布，以便于反应物在催化剂内部的扩散和反应。合适的孔隙结构有助于增加反应物的分子扩散速率，提高反应效果。

3）足够的活性位点：催化剂载体材料应提供足够的活性位点，以吸附和激活反应物分子，引发催化反应。优化催化剂载体材料的活性位点数量和分布方式，可以提高催化活性和选择性。

不同催化剂载体材料在稳定性和活性方面的要求会因具体应用而有所不同。科学家们通过设计和优化催化剂载体材料的结构、表面改性以及组成成分等手段，不断提升催化剂载体材料的稳定性和活性，以满足不同催化反应的需求。催化剂载体材料的稳定性和活性研究是催化剂领域的重要课题，在催化剂的性能和应用方面具有重要意义。

3 当前化工工艺中催化剂载体材料研究的热点和趋势

3.1新型催化剂载体材料的研究进展

3.1.1纳米载体材料

纳米材料具有高比表面积和丰富的活性位点，逐渐成为新型催化剂载体材料的研究热点。例如，二维纳米材料（如石墨烯）和金属有机框架（MOFs）等被广泛用于提高催化剂的活性和选择性[2]。

纳米载体材料是一种令人瞩目的新型材料，其尺寸在纳米级别，具有高比表面积和丰富的活性位点。这些特性使得纳米材料在许多领域中都具有广泛的应用前景，尤其是在催化剂领域中。纳米材料的高比表面积意味着它们可以提供更多的反应表面，从而增加催化剂的活性和选择性。

3.1.2多孔材料

多孔结构具备良好的扩散通道和较大的比表面积，能够增加反应物与催化剂之间的接触，提高催化反应速率。例如，介孔二氧化硅（mesoporous silica）和氮掺杂碳材料等具有重要应用前景。

多孔材料因其独特的结构而备受关注， 其多孔的结构使得它们拥有良好的扩散通道，这意味着反应物可以更容易地进入并扩散到材料的内部。这种特点为其提供了较大的比表面积，即单位质量材料所具有的表面积，这个表面积与材料的颗粒大小和形状有关。比表面积的大小对于化学反应的速率有着直接的影响，因为它决定了反应物与催化剂之间接触的面积。

3.1.3金属-有机骨架（MOF）

MOF是一类结构具有可调节孔隙大小和化学组成的材料，具备丰富的活性位点和吸附性能。通过调控MOF的结构和功能化修饰，可实现催化剂载体材料的高效催化性能。例如，基于MOF的催化剂可用于有机合成、气体转化等领域。

金属-有机骨架的结构具有极高的可调节性，孔隙大小和化学组成均可根据需要进行调整。这种材料的活性位点丰富，吸附性能卓越，这使得MOF在许多领域中都具有广泛的应用潜力。通过精细调控MOF的结构，以及对其表面进行功能化修饰，科学家们成功地实现了催化剂载体材料的高效催化性能。例如，基于MOF的催化剂在有机合成、气体转化等领域中都展现出了优异的性能。这些应用领域的拓展，为MOF材料的研究提供了更为广阔的空间和前景。

3.1.4氧化物载体材料

氧化物材料（如氧化铝、氧化钛等）在催化反应中具有良好的稳定性和催化活性。近年来，通过调控氧化物载体的晶相结构、缺陷位点和氧空位等结构特征，实现了更高的活性和选择性[3]。

3.1.5多功能载体材料

将功能分子或配位化合物引入载体材料中，使其在催化反应中发挥多种作用，例如吸附、反应促进、吸热/放热等。这种多功能载体材料可以集成多种功能，提高催化剂的性能和反应的效果。

多功能载体材料是一种非常先进的材料，它通过将功能分子或配位化合物巧妙地引入到载体材料中，使其在催化反应中发挥多种作用。这种材料在发挥其原有的吸附、反应促进、吸热或放热等功能的同时，还可以集成多种其他功能，进一步提升了催化剂的性能和反应的效果[4]。

3.1.6生物基催化剂载体材料

生物基催化剂载体材料是指利用生物可降解或再生的材料作为载体，具有环保和可持续发展的特点。例如，生物基聚合物、纳米纤维素等被广泛应用于催化反应中，在环境友好和可再生性方面具有优势。

生物基催化剂载体材料是一种利用生物可降解或再生的材料作为载体的催化剂。这种材料具有环保和可持续发展的特点，因为它们可以减少对不可再生资源的依赖，并降低对环境的负面影响。生物基催化剂载体材料的应用范围广泛，包括化学工业、制药业和环保领域等[5]。

3.2催化剂载体材料的表面改性和结构优化

3.2.1表面改性

1）改变活性位点性质：通过在载体表面修饰催化剂，可以调节活性位点的性质和反应活性。例如，通过在载体表面引入不同金属或氧化物形成复合型催化剂，可以增强催化剂的吸附能力、电子传递特性以及催化活性。

2）修改催化剂-载体相互作用：通过在载体表面引入功能基团，如羧酸、硝基等官能团，可以增强催化剂与载体之间的相互作用，从而提高催化剂的分散度、稳定性和选择性。

3）抗中毒：通过表面改性来增加催化剂载体对毒性物质的抗性，提高催化剂对有害组分的选择性吸附和转化能力。例如，将载体表面修饰为亲疏水性结构，可防止溶剂或杂质的吸附和中毒。

3.2.2结构优化

1）孔隙结构调控：通过调节载体材料的孔隙结构，包括孔径、孔隙分布以及孔道连接性等，可以控制反应物分子与活性位点之间的扩散速率，提高催化剂的效率和选择性。

2）载体微观结构设计：通过调控载体材料的微观结构，如晶型、晶面和晶内缺陷等，可以调节载体对催化剂活性中心的承载和稳定性，提高催化剂的活性和寿命。

3）多组分复合载体：将两种或多种不同性质的载体材料复合组装，构建复合型催化剂载体，实现不同载体材料之间的协同作用，以提高催化剂的稳定性和催化性能。例如，将高比表面积的二氧化硅与具有良好承载性能的氧化铝组装，形成具有良好催化性能的复合型载体[6-10]。

4 催化剂载体材料的发展前景和应用前景

系统性研究催化剂载体材料：当前，对催化剂载体材料进行系统性、全面深入地研究成为一个重要趋势。通过理论计算、材料合成和表征等手段，全面了解载体材料的结构、性能和催化机理，以揭示催化剂活性和稳定性之间的关联[11-13]。

多功能化催化剂载体材料：未来的发展趋势是开发多功能化的催化剂载体材料。这种材料能够在催化反应中担任多种作用，如催化活性、分离吸附、反应调控等。例如，设计并合成具有催化活性和选择性的金属-有机骨架催化剂载体材料，具备调节孔隙结构和催化反应功能的能力。具有高温稳定性的催化剂载体材料：随着工业化催化过程的升温和新能源开发的需求，对高温下稳定性良好的催化剂载体材料的需求也越来越大[14-19]。

5 结 论

综述了催化剂载体材料在化工工艺中的研究与进展，通过对催化剂载体材料的综述，旨在为化学工程的科学家和工程师提供参考和启示，推动化工工艺的创新和可持续发展。催化剂载体材料在化工工艺中的研究和应用前景广阔。

参考文献：

[1] 刘洁，于杨，袁浩然.乙酸甲酯加氢制乙醇铜基催化剂性能调控研究进展[J/OL].低碳化学与化工，1-7[2023-11-28]

[2] 赵小艳，房成，吴超波.甲基丙烯酸长碳链酯的合成及应用研究进展[J/OL].应用化工，1-8[2023-11-28]

[3] 靳珲青，石晓丹，靳刘艳，等.DMO经两种反应路径加氢制乙醇催化剂研究进展[J/OL].低碳化学与化工，1-10[2023-11-28]

[4] 王成，吴伟，奚亮，等.废润滑油加氢催化剂失活机理研究[J/OL].石油与天然气化工，1-11[2023-11-28]

[5] 张梦然.液态金属催化剂或撼动百年化工工艺[N].科技日报，2023-11-13（004）.

[6] 陈浩，陈桂，宋丹丹，等.高活性Cu-ZnO@SiO2纳米催化剂催化CO2加氢制甲醇[J].高等学校化学学报，2023，44（11）：122-130.

[7] 王丽华，杨卫亚，沈智奇，等.贵金属单原子催化剂的制备、表征及在化学化工中的应用[J].当代化工，2023，52（10）：2290-2298.

[8] 王一棪，王达锐，沈震浩，等.全结晶MCM-22分子筛催化剂的制备及其催化性能[J/OL].化工进展，1-10[2023-11-28]

[9] 高晓庆，郑洪岩，薛彦峰，等.乙酰丙酸加氢制备γ-戊内酯催化剂研究进展[J/OL].低碳化学与化工，1-14[2023-11-28]

[10] 中国石化上海石油化工研究院开发的AMS加氢催化剂在中国石化北京燕山分公司再次成功应用[J].石油炼制与化工，2023，54（10）：121.

[11] 陈普信，李照，吴海君.信息化背景下的石油化工催化剂生产成本统筹分析研究[J].粘接，2023，50（2）：113-116.

[12] 黄格省，马安，李雪静，等.典型炼油化工催化剂研发与工业转化及启示[J].石化技术与应用，2021，39（6）：385-391

[13] 徐小汀.石油化工催化剂国际招标采购探索与实践[J].招标采购管理，2021（10）：42-45.

[14] 刘博扬.石油化工催化剂生产废水处理清洁技术探讨[J].化纤与纺织技术，2021，50（7）：33-34.

[15] 用于二氧化碳气氛下乙烷脱氢制乙烯的尖晶石催化剂及其制备方法[J].齐鲁石油化工，2020，48（4）：283.

[16] 晁婧.精细化工催化剂生产废水处理清洁生产技术研究[J].化工设计通讯，2020，46（9）：167-168.

[17] 江晓岚.化工企业应急事故水池容积计算方法研究[J].海峡科学，2020（8）：41-42.

[18] 彭干军，倪黎，李诗敏，等.携手同行，共创未来 中国石化催化剂有限公司长岭分公司迎来五十华诞[J].科技创新与品牌，2020 （6）：74-75.

[19] 边虎，刘敏，王书峰.石油化工催化剂生产过程中的职业病防治及应急处理[J].工业安全与环保，2020，46（3）：68-71．