催化表面物理化學的模型體系研究

秦蘇（邵陽學院生物與化學工程系，湖南邵陽422000）

催化表面物理化學的模型體系研究

秦蘇（邵陽學院生物與化學工程系，湖南邵陽422000）

多相催化反應體系催化劑的表面結構、催化反應機理、催化性能關系是催化表面物理化學主要研究的問題，從而理解原子分子水平，對催化劑的設計和改進起到了指導性的作用，具有復雜性和不均一性的真實催化劑結構無法將其與催化性能相連接，因此在進行催化表面物理化學研究經常用到的方法就是構建一個均一的催化劑體系模型。

催化表面物理化學；催化反應機理；模型體系；納米晶

前言

隨著能源和環境的逐漸惡化，使得可持續發展所面臨的挑戰是非常巨大的，在迎接環境與能源挑戰時催化科學技術是非常重要的，研發的新催化反應體系具有高度專一性是能否贏得這場挑戰的關鍵。對相關催化反應體系的基礎是否理解與新催化反應體系能否有效的探索有著密切的聯系。

一、關于催化表面物理化學的模型體系研究的理念

催化劑的表面容易發生多相催化反應，影響催化性能的主要因素是催化劑的表面組成和結構（幾何結構和電子結構）因此，表面化學與催化化學由于多相催化基礎研究的催生產生了交叉，也就是催化表面物理化學，催化劑的表面結構、催化反應體系、表面催化反應機理、催化性能關系是這領域里主要研究的對象。在一般情況下固體納米粒子是多相催化反應催化劑，決定其催化性能及電子結構的主要因素是固體納米粒子。多組分固體納米粒子的相鄰組分會促進協同催化作用的產生，同時催化性能，也會明顯受到多組分固體納米粒子界面結構的影響。固體納米粒子的暴露晶面由其形貌所決定，從而對其表面幾何結構也起到了決定性的作用。氧化物納米粒子不僅可以決定其表面組成，同時對其表面結構也起著決定性的作用。因此決定其催化性能的主要因素就是固體納米粒子的暴露晶面和形貌。一方面，影響其分散度的固體納米粒子的的尺寸；另一方面，當固體納米粒子小到一定程度時就會出現宏觀量子尺寸效應，在這時電子結構會受到尺寸變化的影響，從而使得催化性能受到影響，

極其復雜的催化反應體系，光是運用物理化學對催化表面進行研究就非常具有挑戰性。第一，由于固體催化劑是用傳統方法制備的固體納米粒子結構的不均性和復雜性實驗測得的催化劑活性和催化劑結構進行的關聯不是特別明確，阻礙了催化劑結構之間建立有效關系；第二，手段比較靈敏的研究方式多開展催化表面物理學的研究是非常有利的，需要更重視的地方就是，要在一定的溫度和壓強下進行多相催化反應。無法將實驗測得的催化劑結構和催化劑活性進行明確的關聯，使得催化劑結構有效關系的建立受到了阻礙；其次，表面靈敏的研究手段有利于催化表面物理化學研究的開展，更加重要的是，進行多相催化反應多數情況都是在一定壓強和溫度下。

在過去的十幾年中，固體納米粒子尺寸和形貌均一是因為無機納米材料可控合成方法的迅速發展，控制合成過渡金屬氧化物和Au、Pd、Pt，結構均一的的納米催化材料為研究催化表面物理化學時提供了新的資料。而且結構均一的納米催化材料能夠將對材料催化性能的基本因素所產生的影響充分體現出來，與此同時在真是催化反應的條件下能夠更好的開展對催化表面物理化學的研究。例如Au、Pt、Pd和過度金屬氧化物的控制合成，納米催化材料的結構均一使得催化表面物理化學研究有了新的依據，而且影響材料催化性能的基本因素在結構均一的納米催化材料中能夠充分體現出來，同時在真實催化反應條件下將催化表面物理化學的研究進行開展。模型催化劑的材料為結構均一的納米催化材料時，能夠將催化表面物理化學模型體系中所存在的“材料鴻溝”和“壓力鴻溝”得到克服，開展催化表面物理化學研究時，可以盡可能的以接近真實的催化劑為前提條件，目前結構均一的納米催化材料體系還比較少見，并且需要引入表面活性劑進行金屬納米材料的合成，金屬納米材料表面結構由于表面活性劑的摻入會產生怎樣的影響是必須要考慮的問題。

二、近期通過研究所得出的進展

在20世紀后期國外就有報道稱在溫室里能夠通過金納米粒子催化CO氧化反應，與此同時還發現了密切相關的金納米的尺寸和催化劑催化活性，報道的出現顛覆了之前“金是催化惰性的”這一觀點，使得更多的人投身到對負載型金納米粒子催化體系的研究，以負載型金納米粒子作為催化劑進行新的催化反應，從丙烯環氧化反應到CO低溫氧化反應、加氫反應、以及氧化反應。隨著尺寸的不斷降低，隨之降低的還有暴露在金納米表面的金原子配位飽和的程度，增強了吸附性和催化性，與此同時還有金原子不斷增加的配位不飽和和密度，尺寸的大小對金納米粒子催化活性產生了非常重要的影響。金納米粒子的尺寸同時也影響到其電子結構，隨著尺寸的不斷降低，金納米粒逐漸位移到高結合能方向的路上去。

三、結語

多相催化表面物理化學研究是是一份及其具有挑戰性的研究工作，但對于研發新催化反應體系是非常關鍵的，我們根據模型催化劑的概念，將單晶薄膜的拓展到納米晶的模型催化劑，又簡單到復雜，構筑不同層次的模型催化劑，使得催化表面物理化學研究進行系統的開展。

［1］許令順.小分子在模型催化劑表面的吸附與反應［J］.2012年3期：77-78.

［2］李勇，申文杰.多元醇法合成形貌可控的鈷鎳納米材料［J］.化學反應工程與工藝.2013（5）：201-203.