科學家研製出新型層狀結構催化耐火紙

最新 04-20

催化劑廣泛應用於化學化工和工業生產中，在現代化學工業中佔有極其重要的地位。納米催化劑尺寸小、比表面積大、表面活性高，具有優異的催化性能，近年來引起人們的廣泛興趣和關注。但其中一個難題是，在液相催化反應體系中，當催化反應完成後，納米催化劑粉體很難從液相反應體系中分離出來，使得催化劑的回收利用很困難，並且回收成本高。另外，催化劑納米顆粒在液相反應體系中，容易發生嚴重的團聚現象，導致催化劑的催化性能顯著降低。

最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員朱英傑和助理研究員熊志超等在新型無機耐火紙的研究工作基礎上，在常溫下的水溶液中，通過在羥基磷灰石超長納米線上原位生長金納米顆粒，成功地研製出具有良好柔韌性的新型層狀結構催化耐火紙。該催化耐火紙中納米金催化劑的負載量可控並且分散均勻，可有效防止金納米顆粒團聚，提高催化活性。此外，在新型催化耐火紙中，羥基磷灰石超長納米線通過自組裝形成納米多孔網路結構和層狀結構，在催化反應中可大大提高反應物流動通過時與納米催化劑的接觸機會，可顯著提高催化效率。新型催化耐火紙容易實現從液相反應體系中的高效分離和循環利用，在催化反應完成後，只要將催化耐火紙從溶液中取出，就可以方便快捷地實現納米催化劑的回收再利用，可以大大降低成本。更重要的是，新型催化耐火紙具有優異的耐高溫和耐火性能，即使在火中長時間灼燒仍然可以保持完好。新型催化耐火紙具有良好的高溫催化穩定性，高溫處理後仍然能夠保持高催化活性。此外，新型催化耐火紙可以多次循環使用和長時間使用，並且仍然能夠保持高催化活性。相關研究結果發表在英國化學會《材料化學期刊A》（Journal of Materials Chemistry A, 6, 5762–5773 (2018)）雜誌上。

新型層狀結構催化耐火紙在連續流動催化反應中表現出優異的催化性能。實驗表明，在室溫下，含有4-硝基苯酚和硼氫化鈉的水溶液只要傾倒在新型催化耐火紙上，就像水溶液過濾一樣很快流過催化耐火紙，催化反應就完成了，4-硝基苯酚就轉變為4-胺基苯酚，催化反應快速並且催化效率很高（~100%）。同樣，採用連續流動催化反應，新型催化耐火紙也可對多種有機染料例如羅丹明B、甲基橙等實現高效快速降解，被有機染料污染的水溶液只要倒在催化耐火紙上快速流過，就可實現污水的連續高效快速凈化。此外，研究團隊還實現了羥基磷灰石超長納米線的10升級反應釜的放大製備和大尺寸新型層狀結構催化耐火紙的製備，所製備的大尺寸催化耐火紙具有良好的均勻性和可重複的高催化活性。

羥基磷灰石超長納米線基新型無機耐火紙是一種優異的耐高溫催化劑載體，可以實現對多種納米催化劑的高效負載、均勻分散和緊密固定。製備的新型層狀結構催化耐火紙具有優異的耐高溫性能，特別適用於在高溫下多種液相和氣相催化反應，並且可多次循環利用和長時間使用，在化學工程、工業生產、工業廢氣凈化、汽車尾氣凈化、污水處理等領域具有良好的應用前景。

該研究工作得到國家自然科學基金委和上海市科委等資助。