提高催化劑壽命，能為我們省下多少錢？

“催化劑”這個(gè)概念，似乎離我們的平常生活太遠(yuǎn)。除了偶爾在汽車尾氣排放的新聞中聽(tīng)到這個(gè)詞之外，似乎就只有化學(xué)書(shū)中的那一句“改變反應(yīng)速率但不參與反應(yīng)的物質(zhì)”了。

然而，在我們平日看不到的工業(yè)側(cè)——制造塑料袋需要催化劑；合成橡膠需要催化劑；工業(yè)“三酸兩堿”之一的硫酸，在制造過(guò)程中也少不了釩催化劑的參與。

可以說(shuō)，如果沒(méi)有這些催化劑，我們現(xiàn)有的生活質(zhì)量會(huì)倒退一百多年。

催化劑：用處很多，弱點(diǎn)也不少

催化劑的類型多種多樣。按照狀態(tài)可以分成固體與液體催化劑兩種；根據(jù)參與的反應(yīng)不同，還可以分為均相催化劑與異相催化劑。而重要的催化劑莫過(guò)于固體異相催化劑。

比起液體催化劑，這類固體催化劑容易運(yùn)輸，容易使用，也容易回收再利用。舉個(gè)例子：把磚頭扔進(jìn)水里，找回來(lái)尚且容易；把飲料倒進(jìn)水里，想找回來(lái)可就難如登天了。

在西方，曾經(jīng)有一個(gè)笑話是這樣講的：“如果有人想自殺，那只需要湊到汽車排氣管的位置吸兩口尾氣就行了”。

這個(gè)笑話雖然荒誕，但在早期沒(méi)有尾氣處理裝置的時(shí)候，汽車尾氣確實(shí)有大量氮氧化物、碳?xì)浠衔锱c一氧化碳。吸兩口雖然不至于送命，但絕對(duì)不會(huì)讓那個(gè)勇士有多舒服。

尾氣排放還會(huì)給環(huán)境造成極大污染。曾經(jīng)的洛杉磯光化學(xué)煙霧事件的罪魁禍?zhǔn)?，就是沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的汽車尾氣。

而現(xiàn)在，高效的尾氣處理裝置可以通過(guò)催化化學(xué)反應(yīng)，將氮氧化物分解，并利用分解的氧氣將一氧化碳、碳?xì)浠衔镅趸癁槎趸己退?，從而大大降低尾氣的污染?/p>

催化劑有百利，但也有不少弱點(diǎn)。大的弱點(diǎn)就是催化劑失活的問(wèn)題。由于催化作用的原理是讓反應(yīng)物附著在催化劑表面，從而加速反應(yīng)，所以一旦表面被其它物質(zhì)覆蓋，催化效率就會(huì)大打折扣。

以尾氣催化劑為例，如果催化劑上起催化作用的位置附著上了燃油中未完全燃燒的碳或是硫，那么這個(gè)位置就不再有催化能力了。在專業(yè)領(lǐng)域我們稱之為“催化位點(diǎn)失活”。

因此，想保證催化劑的催化性能，就要減少雜質(zhì)附著，或者增加催化位點(diǎn)的數(shù)量。前者通過(guò)提純反應(yīng)物來(lái)降低影響，而后者就是在催化劑上下功夫。

之前我們已經(jīng)提到，催化作用僅在催化劑表面發(fā)生，那不管催化劑有多厚，發(fā)生的部分也只是那薄薄的一層或者兩層原子。

在此機(jī)制下，曾經(jīng)的催化劑是板狀或蜂窩狀。但在現(xiàn)代科技的加持下，催化劑可以在微觀尺度上變成網(wǎng)狀或是框架結(jié)構(gòu)，這大大增加了相同質(zhì)量下的表面積（比表面積），從而讓現(xiàn)代催化劑的催化能力大大增加了。

然而，越是精巧的東西，就越容易壞。精巧的空心結(jié)構(gòu)使得其穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如實(shí)心的“老古董”結(jié)實(shí)。

在超過(guò)一百攝氏度的工作溫度下，原子熱運(yùn)動(dòng)可能會(huì)讓其離開(kāi)自己的位置，跑到其它原子旁邊，從而讓網(wǎng)狀的孔洞發(fā)生塌陷；小的顆粒也會(huì)在熱運(yùn)動(dòng)的幫助下附著在大的顆粒上。

這個(gè)比表面積下降、結(jié)構(gòu)被破壞的過(guò)程，在宏觀上十分類似于土壤板結(jié)的樣子，分別被稱為粒子遷移和聚結(jié)(PMC)，以及奧斯特-瓦爾德熟化(OR)。

全球每年因工業(yè)催化劑、催化劑失活引起的催化劑替換、再生成本達(dá)數(shù)百億人民幣。除了應(yīng)對(duì)貴金屬催化劑日漸攀高的需求，其納米技術(shù)所帶來(lái)的嚴(yán)峻的穩(wěn)定性問(wèn)題也亟需解決。

提高催化劑壽命，中國(guó)提出解決新方案

既然高溫下原子熱運(yùn)動(dòng)是催化劑板結(jié)的主要因素，那降低溫度可以解決問(wèn)題么？

答案是肯定的，也是否定的。降低溫度確實(shí)可以讓催化劑保持活性，但低溫也會(huì)顯著降低化學(xué)反應(yīng)的速度，一來(lái)一回等于沒(méi)有進(jìn)展。

此時(shí)，我們便要引入一個(gè)稱為“塔曼溫度”的概念。只有在這個(gè)溫度之下，原子才有可能長(zhǎng)期穩(wěn)定在自己的位置上。這樣一來(lái)，讓臨界溫度達(dá)到塔曼溫度就成為了重中之重。

那么，只需要在臨界溫度，就可以得到在更高溫度下穩(wěn)定的材料；而臨界溫度與原子間相互作用密切相關(guān)。

若是相互作用太弱，原子所受的約束就很小，很容易受熱離開(kāi)；而若是相互作用太強(qiáng)，又很難讓小顆粒不與大顆粒結(jié)合在一起。也就是說(shuō)，需要找到一個(gè)強(qiáng)弱的平衡點(diǎn)。

近日，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李微雪教授所領(lǐng)導(dǎo)的理論與計(jì)算催化團(tuán)隊(duì)提出了解決方案。

該團(tuán)隊(duì)結(jié)合研究了323種單組分載體負(fù)載的納米催化劑生長(zhǎng)速率和金屬與載體界面作用強(qiáng)度之間的關(guān)系，揭示存在有一般性的火山型依賴關(guān)系。