納米催化劑在碳?xì)淙剂虾蜕锊裼皖I(lǐng)域中的應(yīng)用

張傳峰, 趙 靜, 方文軍, 郭永勝

(浙江大學(xué) 化學(xué)系, 浙江 杭州 310058)

納米催化劑在碳?xì)淙剂虾蜕锊裼皖I(lǐng)域中的應(yīng)用

張傳峰, 趙 靜, 方文軍, 郭永勝

(浙江大學(xué) 化學(xué)系, 浙江 杭州 310058)

納米材料因獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征而擁有了高效的催化性能,已被廣泛應(yīng)用于石油化工、能源、化學(xué)合成、生物和環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域。筆者聚焦于燃料領(lǐng)域,重點(diǎn)介紹了納米催化劑在碳?xì)淙剂系拇呋呀饧叭紵?、新燃料的合成、生物柴油的制備和催化燃燒方面的?yīng)用進(jìn)展,剖析了目前納米催化劑研究中面臨的問題,提出了理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)推動(dòng)納米催化劑研究發(fā)展的觀點(diǎn)。

納米催化劑;碳?xì)淙剂?生物柴油

納米材料是指尺寸在納米量級(jí)、處于原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域的一類超細(xì)材料。它是一種典型的介觀系統(tǒng),具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等特殊性質(zhì)。借助于這些特殊性質(zhì),納米材料正吸引著來自不同研究領(lǐng)域?qū)W者們的關(guān)注,而納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展又為諸多學(xué)科,如化學(xué)、材料、物理、生物及仿生學(xué)等的交叉發(fā)展提供了新的機(jī)遇[1-5]。納米催化劑擁有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),相比較于傳統(tǒng)催化劑擁有更高的催化效率和選擇性,已經(jīng)成功用于石油化工、能源、化學(xué)合成、生物、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域[6-10]。筆者將重點(diǎn)追蹤近年來納米催化劑在碳?xì)淙剂虾蜕锊裼脱芯款I(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展,以期為傳統(tǒng)石化燃料生產(chǎn)和替代能源研究提供技術(shù)信息。

1 納米催化劑在碳?xì)淙剂现械膽?yīng)用進(jìn)展

液體碳?xì)淙剂鲜且詺渑c碳為元素組成的烴類燃料,主要由石油加工而成,如煤油和汽油,也有部分人工合成燃料,如JP-10等。液體燃料是世界上最重要的二次能源之一,也是現(xiàn)代社會(huì)快速發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著石油資源的逐漸匱乏,優(yōu)化石油加工工藝,探索高能燃料合成新途徑的需求越來越迫切。此外,現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)中,許多行業(yè)如航空航天等,以及環(huán)境保護(hù)對(duì)燃料性能的要求也越來越嚴(yán)格,自然就促進(jìn)了高活性納米催化劑與液體碳?xì)淙剂涎芯康慕Y(jié)合[11-13]。

1.1 納米材料催化碳?xì)淙剂狭呀庋芯?/p>

高超聲速飛行時(shí)代的來臨,賦予了燃料嶄新的使命。新的燃料要在為飛行器提供動(dòng)力的同時(shí),解決其熱管理問題,以保證高超聲速飛行器的安全運(yùn)行。要幫助飛行器克服“熱障”,燃料除了要釋放自身的物理熱沉外,還需要利用化學(xué)裂解反應(yīng)提供附加化學(xué)熱沉[14-16]。碳?xì)淙剂系拇呋呀庋芯恳恢蔽鴱V泛關(guān)注[17-19]。二十世紀(jì)70年代,美國(guó)進(jìn)行了大量相關(guān)研究工作,所用催化劑包括Cr2O3/Al2O3催化劑、貴金屬催化劑和沸石催化劑。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,越來越多的學(xué)者開始致力于將納米催化技術(shù)應(yīng)用于碳?xì)淙剂系牧呀庋芯俊?/p>

美國(guó)猶他州大學(xué)Scott等[20]就曾經(jīng)深入研究了納米CeO2和Fe2O3催化劑對(duì)高密度液體碳?xì)淙剂螶P-10裂解及燃燒過程的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在沒有催化劑時(shí),JP-10的裂解和氧化過程均由其分子自身斷鍵而引發(fā);隨溫度的升高,氧氣的存在可以加速其斷鍵。但有納米CeO2催化劑存在時(shí),這些過程受到了顯著影響,體現(xiàn)在起始反應(yīng)溫度的顯著降低。研究還發(fā)現(xiàn),盡管Fe2O3是一種非常有效的高溫氧化劑,但對(duì)JP-10裂解及氧化過程的催化效果不明顯。

天津大學(xué)的Bao等[21-24]一直致力于碳?xì)淙剂洗呋呀庋芯?。他們利用晶種誘導(dǎo)的辦法成功制備了油分散性納米HZSM-5分子篩催化劑,創(chuàng)新性地開展了碳?xì)淙剂蠑M均相條件下的裂解實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明,反應(yīng)溫度、晶種、修飾劑烷基鏈長(zhǎng)等對(duì)納米HZSM-5的制備有著顯著影響。此外,在以正十二烷為底物的裂解實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),所制備的納米HZSM-5分子篩對(duì)烴類的裂解過程有著顯著的催化作用。在427℃下,與熱裂解相比較,該催化劑可以將正十二烷的裂解率提升2倍以上。該項(xiàng)研究避免了常規(guī)催化劑用于吸熱型碳?xì)淙剂洗呋呀鈺r(shí)面臨的催化工藝難題,創(chuàng)新性地提出了擬均相的催化方法。雖然技術(shù)上尚有欠缺,但為改善碳?xì)淙剂系臒峁芾砟芰μ岢隽诵碌难芯克悸贰?014年,Zhang等[25]報(bào)道了一種采用油胺作為配體制備Pt和Pd納米粒子的方法,所得納米粒子在噴氣燃料JP-10中能夠高度分散,在長(zhǎng)達(dá)365 d時(shí)間里無團(tuán)聚沉淀現(xiàn)象發(fā)生。裂解實(shí)驗(yàn)表明,Pt和Pd納米顆粒對(duì)JP-10的裂解有顯著催化活性,尤其Pt納米顆粒可以將JP-10的裂解反應(yīng)起始溫度降低50℃。

浙江大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早開始吸熱型碳?xì)淙剂涎芯康膯挝恢?一直致力于碳?xì)淙剂嫌行Щ瘜W(xué)熱沉開發(fā)工作,制備了多種納米催化劑用于促進(jìn)燃料裂解以釋放其化學(xué)吸熱能力。Yue等[26]采用相轉(zhuǎn)移法,以氯亞鈀酸鉀為前驅(qū)體,十八烷基胺或十八烷基硫醇為修飾劑,制備了3種親油性納米Pd顆粒(Pd@S、Pd@N、Pd@N&S),用于航空煤油和十氫萘的擬均相催化裂解。結(jié)果表明,3種納米顆粒均能在一定程度上促進(jìn)十氫萘和航空煤油的裂解;其中,Pd@N的催化活性最高,可使十氫萘在750℃的裂解轉(zhuǎn)化率從70.31%提高到91.85%,相應(yīng)的熱沉值提高9.03%,如圖1所示。

圖1 納米Pd@N的TEM照片以及納米催化劑催化十氫萘裂解的轉(zhuǎn)化率和熱沉

Li等[27-28]以雙子表面活性劑Gemini 16-4-16作為修飾劑,成功制備了平均粒徑在8.9 nm的納米Au顆粒,其在液體碳?xì)淙剂现心軌蜷L(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定分散,并考察了納米Au顆粒對(duì)高密度燃料JP-10靜態(tài)裂解過程的催化作用。結(jié)果表明,在溫度400℃、反應(yīng)時(shí)間4 h條件下,納米Au添加量達(dá)到0.025%時(shí)就對(duì)JP-10裂解過程產(chǎn)生顯著的催化效果。該研究還表明,Au納米顆粒比納米Ag和Cu顆粒在相同條件下的催化效率更高。Guo等[29-30]以四-十一烷基間苯二酚杯[4]芳烴作為修飾劑制備的納米Ni-B非晶態(tài)合金和納米Ni顆粒,可以穩(wěn)定的分散在高密度碳?xì)淙剂螶P-10中實(shí)現(xiàn)擬均相催化。催化裂解實(shí)驗(yàn)表明,納米Ni-B非晶態(tài)合金和納米Ni顆粒對(duì)JP-10的裂解過程均有不同程度的催化作用,Ni-B納米顆?？梢允谷剂显诘蜏貐^(qū)的轉(zhuǎn)化率提高20%左右。通過結(jié)焦沉積物的分析結(jié)果來看,Ni-B納米顆粒催化JP-10裂解的結(jié)焦量低于其熱裂解的結(jié)焦量?？梢?納米顆粒對(duì)于JP-10的裂解具有很高的催化活性,能夠有效提高碳?xì)淙剂系奈鼰崮芰?。納米Ni顆粒對(duì)JP-10的裂解同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性,不僅能顯著提高JP-10的裂解轉(zhuǎn)化率,而且還可以顯著增加氣態(tài)產(chǎn)物中氫氣和烯烴的產(chǎn)量。

Azad等[31]報(bào)道了一種銠基催化劑,是一種由金屬銠負(fù)載于氧化鈰上得到的耐硫型納米催化劑。將其用于地勤燃料的水蒸氣重整反應(yīng),能夠顯著提高氫氣的產(chǎn)率,并具有良好的耐硫性。

納米催化劑也被用于改善燃料裂解過程,優(yōu)化生產(chǎn)工藝。Li等[32]制備了一種新型負(fù)載型納米催化劑NiO/γ-Al2O3,用于去除生物質(zhì)氣化/熱解過程中的焦油,同時(shí)提升氣體產(chǎn)品質(zhì)量。研究表明,所制備的納米NiO/γ-Al2O3催化劑有一層質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到12%的NiO涂層,該球形NiO顆粒粒徑分布在12～18 nm范圍,是該復(fù)合催化劑的活性組分,在800℃下進(jìn)行的催化裂解實(shí)驗(yàn)中,焦油去除率達(dá)到99%以上;實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,加入催化劑后整個(gè)反應(yīng)的氣體產(chǎn)率顯著增加,CO2和甲烷所占的百分比明顯減少,而那些更有價(jià)值的H2和CO等氣體含量得到明顯提升。

1.2 納米材料催化碳?xì)淙剂先紵芯?/p>

催化燃燒是典型的氣-固相催化反應(yīng)。借助催化劑降低燃燒反應(yīng)的活化能,使燃料在較低溫度下進(jìn)行無焰燃燒,對(duì)改善燃燒過程、促進(jìn)完全燃燒、抑制有毒物質(zhì)的形成等方面具有極為重要的作用。催化燃燒是一個(gè)環(huán)境友好的過程[33]。

Wang等[34]利用己硫醇單層包裹鈀團(tuán)簇用于JP-10的燃燒特性研究。所制備的鈀團(tuán)簇粒徑小于1.5 nm,在烴類燃料中擁有良好的分散性。燃燒試驗(yàn)結(jié)果表明,納米鈀催化劑能有效催化JP-10燃燒,50 μg/g的添加量就可以將燃燒起始溫度降低大約240℃。

美國(guó)Phyre公司為了解決飛機(jī)適航與安全的焦點(diǎn)問題,開發(fā)了一種“綠色機(jī)載惰性氣體發(fā)生系統(tǒng)(GOBIGGS)”,用于去除燃油箱中的燃料蒸氣并消耗溶解氧。該系統(tǒng)的工作原理是,利用排氣泵將油箱中的燃油蒸氣和氧氣引入一個(gè)溫度在200℃左右的催化反應(yīng)室中,在貴金屬納米催化劑作用下完全反應(yīng)生成CO2和水蒸氣;經(jīng)冷凝將水濾出,CO2經(jīng)壓縮后返回油箱起惰化作用。該系統(tǒng)在2007年5月通過了FAA大西洋城市技術(shù)中心的驗(yàn)證,并于2010年4月13日獲得了美國(guó)專利[35-36]。

楊玉霞等[37]考察了負(fù)載型Pd催化劑對(duì)甲烷燃燒的催化機(jī)理。發(fā)現(xiàn)富氧條件下,Pd催化劑體系對(duì)甲烷催化燃燒的活性從大到小的順序?yàn)镻d、Pt、Co3O4、PdO、Cr2O3、Mn2O3、CuO、CeO2、Fe2O3、V2O5、NiO、Mo2O3、TiO2。相關(guān)研究表明,載體的種類也會(huì)影響催化劑活性。何湘鄂等[38]研究了負(fù)載Pd的ZrO2-Al2O3混合載體,發(fā)現(xiàn)當(dāng)以n(ZrO2)/n(Al2O3)=1/5.8混合ZrO2和Al2O3,然后負(fù)載Pd制備的催化劑的催化活性得到改善。Zong等[39]也在甲烷催化燃燒方面開展了研究工作。他們將金屬Pd負(fù)載在TiO2上制備了Pd/TiO2納米催化劑,其中Pd的負(fù)載量在5%～15%范圍。在對(duì)甲烷的燃燒實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),該催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。與一些文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果對(duì)比,在相同溫度下該P(yáng)d/TiO2納米催化劑活性更優(yōu)。

隨著人們對(duì)環(huán)境和健康要求的提高,越來越多的學(xué)者開始關(guān)注利用納米材料催化氧化的辦法處理燃料中的污染性雜原子。Rezvani等[40]為了更好地實(shí)現(xiàn)汽油催化氧化脫硫的目標(biāo),采用溶膠-凝膠法制備了納米復(fù)合材料(Bu4N)4H[PMo10V2O40]-TiO2。研究結(jié)果表明,該材料能夠有效地催化氧化模擬汽油達(dá)到脫硫的目標(biāo),硫轉(zhuǎn)化率大于98%。與其它氧化脫硫方法如甲酸/過氧化氫相比,該納米復(fù)合材料提供了一種更高效、便捷的脫硫方法。Mirzaeian等[41]利用碳納米管和酞菁鈷復(fù)合物合成了MWCNT-COOH-CoPc納米催化劑,并在固定床反應(yīng)器中對(duì)天然氣里所含硫醇混合物進(jìn)行催化脫除研究。結(jié)果表明,在反應(yīng)溫度200℃、天然氣空速2000 h-1時(shí),納米催化劑體現(xiàn)出最佳催化效果,可以使硫醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.99%。Salari等[42]采用溶膠-凝膠法合成了納米粒子LaFeO3和LaCoxFe1-xO3(x為0.05,0.1,0.2,0.3),并考察了它們催化燃燒甲苯的活性。研究表明,相對(duì)于LaFeO3,納米催化劑LaCOxFe1-xO3表現(xiàn)出更高的催化活性,并且其催化活性隨著Co含量的增加而提高。

1.3 納米催化劑用于新燃料的合成

隨著石油資源的不斷消耗,以及一些研究領(lǐng)域發(fā)展帶來的特殊需求,人工合成燃料逐漸成為一種不可忽視的燃料發(fā)展方向[43-45]。Armando等[46]成功將金屬Co負(fù)載在二氧化硅納米彈簧上,得到了一種用于費(fèi)-托合成的新型納米催化劑。與傳統(tǒng)Co催化劑的對(duì)比,該納米催化劑擁有的獨(dú)特螺旋結(jié)構(gòu)使其表面對(duì)氣體分子有著更強(qiáng)的吸附作用,因而在費(fèi)-托合成反應(yīng)中具有很高的活性,是一種適用于液體碳?xì)淙剂虾铣傻母咝Ъ{米催化劑。

Liu等[47]在將二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷方面展開了一些研究。他們?cè)谝叶?水溶液中合成了厚度僅僅有7nm左右的單晶Zn2GeO4納米帶,結(jié)果表明,其對(duì)二氧化碳/水蒸氣混合體系有明顯的催化活性,可以大大促進(jìn)CO2轉(zhuǎn)化成CH4。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在單晶Zn2GeO4納米帶表面上負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的助催化劑Pt或RuO2用于光催化反應(yīng),CH4的反應(yīng)速率和產(chǎn)率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單晶Zn2GeO4納米帶的催化效果。Rani等[48]也開展了CO2轉(zhuǎn)化制CH4的研究,借助高效納米光催化劑,以CO2和水蒸氣為原料制備了CH4。該納米光催化劑是一種(Cu、Pt)/TiO2納米晶片,Cu和Pt涂覆在納米晶片上,實(shí)驗(yàn)表明,其催化活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于任意單一金屬助催化劑,說明不同組分間產(chǎn)生了顯著的協(xié)同效應(yīng)。Varghese等[49]同樣進(jìn)行了以CO2為原料合成碳?xì)淙剂舷嚓P(guān)研究,他們?cè)诤亩趸伡{米管陣列表面上負(fù)載助催化劑納米粒子Pt和Cu,借助太陽(yáng)光催化將CO2和水蒸氣轉(zhuǎn)化成CH4和一些其他的碳?xì)浠衔?助催化劑納米粒子Pt和Cu有助于促進(jìn)中間產(chǎn)物H2和CO的生成,對(duì)于獲得CO2高轉(zhuǎn)化率必不可少。

Wang等[50]制備了粒徑分布在20～50 nm范圍的納米尺寸的沸石SAPO-11(n(Si)/n(Al)=0.11,n(Al)/n(P)=1),再以等體積浸漬法在其上負(fù)載金屬Ni粒子,制備了Ni/SAPO-11納米催化劑。該納米催化劑在催化棕櫚油的加氫脫氧的過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和很高的異構(gòu)化選擇性,液態(tài)碳?xì)淙剂系漠a(chǎn)率高達(dá)80%?？梢?在以植物油為原料制備碳?xì)淙剂现?納米催化劑同樣具有樂觀的應(yīng)用前景。

2 納米催化劑在生物柴油領(lǐng)域的應(yīng)用

生物柴油是指由醇和動(dòng)植物油脂經(jīng)酯交換反應(yīng)得到的脂肪酸單烷基酯,最典型的是脂肪酸甲酯。由于自身含氧,可部分添加到化石柴油中,增加燃料的燃燒性能。同時(shí),生物柴油是通過動(dòng)植物油酯交換而得,與傳統(tǒng)的石化能源相比,其硫及芳烴含量低、閃點(diǎn)高、可再生、環(huán)境友好,且具有良好的潤(rùn)滑性。這些特性使得該燃料逐漸發(fā)展成為一種不可或缺的替代能源[51]。

2.1 納米催化劑在生物柴油制備方面的應(yīng)用

Madhuvilakku等[52]報(bào)道了利用納米催化劑TiO2-ZnO催化酯交換制備生物柴油的有效方法。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)m(甲醇)/m(油)=6,在60℃下持續(xù)反應(yīng)5 h,200 mg的納米催化劑可以將反應(yīng)體系的酯交換率提升至98%,產(chǎn)率提升至92%,催化活性遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)催化劑ZnO。Qiu等[53]在ZrO2上負(fù)載C4H4O6HK,制備了粒徑分布在10～40 nm范圍、具有多孔結(jié)構(gòu)的堿性納米顆粒催化劑。該催化劑在酯交換反應(yīng)中表現(xiàn)出非常高的催化活性。如以甲醇和大豆油為反應(yīng)體系,催化劑用量為6.0%時(shí),就可以在溫和條件下(反應(yīng)溫度為60℃)將生物柴油的產(chǎn)量提升至98.03%。可見納米催化劑的使用,對(duì)生物柴油的合成及利用有著積極的作用。

常規(guī)的固體堿催化劑可以應(yīng)用于酯交換反應(yīng)制備生物柴油,但具有比表面積小、分散性不好、催化反應(yīng)速率低等缺點(diǎn)。納米級(jí)磁性固體堿催化劑可以克服以上不足,不僅具備了高比表面積和優(yōu)秀的催化活性,同時(shí)還擁有超順磁性,在外加磁場(chǎng)的條件下可以實(shí)現(xiàn)催化劑的便捷回收[54]。

李梅等[55]采用原位沉淀法制備了雙功能磁性固體堿催化劑CaO·γ-Fe2O3,并將其用于催化菜籽油的酯交換反應(yīng)制備生物柴油。結(jié)果表明,催化劑具有較好的磁學(xué)性能,飽和磁化率達(dá)到45.7 emu/g,同時(shí),Fe和Ca 2種組分間也能夠較好地復(fù)合。在適宜的反應(yīng)條件下,該催化劑可以重復(fù)使用,且前3次催化酯交換反應(yīng)轉(zhuǎn)化率均能維持在95%左右。王麗萍等[56]采用化學(xué)合成法制備了磁納米固體催化劑Ca12Al14O33/Fe3O4(Ca/Al/Fe3O4),并將其用于催化菜籽油和甲醇酯交換反應(yīng)。確定了磁納米固體催化劑制備的最佳反應(yīng)條件為n(Ca)/n(Fe)=5、煅燒時(shí)間6 h、煅燒溫度600℃。在此最佳條件下制備的磁納米固體催化劑具備優(yōu)秀的催化活性和高回收率,酯交換轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.71%,而催化劑的回收率在93.80%以上,遠(yuǎn)高于純鋁酸鈣催化劑80.81%的回收率。郭萍梅等[57]以納米Fe3O4為磁核,制備磁性固體堿催化劑Na2O·SiO2/Fe3O4。該催化劑具有良好的順磁性和催化活性,可以使棉籽油酯交換率達(dá)到99.6%,連續(xù)使用11次后反應(yīng)活性仍然可以維持在90%以上。Hu等[58]同樣利用Fe3O4作為磁核,以浸漬法制備了具備多孔結(jié)構(gòu)的磁納米固體堿催化劑KF/CaO-Fe3O4。所制備的催化劑可以重復(fù)使用14次以上,反應(yīng)活性依然維持在90%,是一種很好的綠色催化劑。Liu等[59]也開展了磁納米固體堿催化劑的研究工作,他們研制的催化劑同樣具備高催化活性,即使在重復(fù)使用5次后,催化效率依然達(dá)到90%以上。

2.2 納米催化劑在生物柴油催化燃燒方面的應(yīng)用

納米催化劑在生物柴油催化燃燒方面同樣體現(xiàn)出了優(yōu)良特性。Basha等[60]報(bào)道了一種由氧化鋁和碳納米管組成的混合納米催化劑用于生物柴油的催化燃燒,并探究了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性。結(jié)果表明,納米催化劑能夠有效縮短生物柴油的點(diǎn)火延遲時(shí)間,提高傳熱效率,同時(shí)減少有害氣體排放量。同樣,在減少生物柴油污染物排放量的問題上,Mirzajanzadeh等[61]進(jìn)行了更加深入的研究。他們合成了一種新型的親水性混合納米催化劑用于生物柴油催化燃燒,以此減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放量,如NOx、CO、未燃燒的碳?xì)浠衔?、煙塵等。該催化劑是由酰胺官能化的多層碳納米管(MWCNT)和氧化鈰(CeO2)組成的混合納米顆粒MWCNTs-CeO2,在對(duì)B5和B20 2種生物柴油的催化燃燒中,能有效催化2種生物柴油的氧化反應(yīng),并顯著降低其污染物排放量,如圖2所示。

圖2 生物柴油B5和B20的廢氣排放量隨納米催化劑CeO2-MWCNTs添加量的變化趨勢(shì)

Ganesh等[62]研究了燃油添加劑納米氧化鈷和鎂鋁復(fù)合粒子對(duì)生物柴油燃燒性能和排放特性的影響。結(jié)果表明,納米氧化鈷能夠有效催化生物柴油的燃燒過程,將尾氣中未充分燃燒的烴類化合物(UBHC)含量降低約60%,同時(shí)將NOx排放量減少約45%。鎂鋁粒子作為高能材料,不僅能夠有效提高燃料熱效率,還可以將UBHC、CO、NOx的排放量分別降低70%、41%、30%。Selvan等[63]報(bào)道了一種利用二氧化鈰納米顆粒改善生物柴油燃燒性能和尾氣排放特性的方法。二氧化鈰納米顆粒能夠作為供氧劑催化CO的氧化反應(yīng),同時(shí)有助于減少NOx的排放。此外,二氧化鈰還有助于減少生物柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的積炭,減少?gòu)U氣中碳?xì)浠衔锏呐欧帕?。Sajith等[64]同樣研究了二氧化鈰納米顆粒對(duì)生物柴油燃燒過程的影響,證實(shí)了其對(duì)燃料燃燒過程具有非凡催化效果,是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ募{米催化劑。

3 總結(jié)與展望

納米顆粒因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和高的表面剩余能而擁有良好的催化性能,吸引了越來越多的關(guān)注,在碳?xì)淙剂虾蜕锊裼偷妊芯恐芯哂袕V泛的應(yīng)用前景。納米催化劑可以催化燃料裂解,提升轉(zhuǎn)化率;促進(jìn)燃料燃燒,改善其點(diǎn)火性能;在國(guó)防領(lǐng)域,可以用于高能量密度燃料的合成;還可以添加到高能材料如炸藥中,增加爆炸效率;金屬納米顆粒和半導(dǎo)體納米顆粒摻雜到燃料中,可用在火箭助推器上,以提高燃燒效率。

盡管納米催化劑具有廣闊的應(yīng)用前景,但在開發(fā)過程中還面臨許多問題。如,技術(shù)成熟度不夠,難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn);生產(chǎn)工藝不夠先進(jìn),成本過高;納米顆粒因其自身特性難以長(zhǎng)期保持性能穩(wěn)定等。隨著人們認(rèn)知水平的不斷提高,利用不斷完善的介觀系統(tǒng)研究理論,結(jié)合實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,經(jīng)過科研人員的不懈努力,這些問題在將來會(huì)被逐一解決,屆時(shí)將揭開納米催化劑在燃料領(lǐng)域中應(yīng)用和發(fā)展的新篇章。

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Application of Nanocatalyst in the Fields of Hydrocarbon Fuel and Biodiesel

ZHANG Chuanfeng, ZHAO Jing, FANG Wenjun, GUO Yongsheng

(DepartmentofChemistry,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

Nano materials have high catalytic activity because of their unique structures, and have been widely used in many fields, such as petroleum chemical industry, energy, chemical synthesis, biological and environmental protection etc. An overview for the status of nanocatalysts used in fuels, including catalytic cracking and combustion of hydrocarbon fuels, synthesis of new fuels, preparation and catalytic combustion of the biodiesels is presented. The key research challenges in the development of nanocatalysts are analyzed. In addition, the concept of combining the theory with the experimental study for improving the development of nanometer catalyst is suggested.

nanocatalyst;hydrocarbon fuel;biodiesel

2014-10-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21173191，21273201)資助 第一作者： 張傳峰，男，碩士研究生，從事納米催化劑研究；E-mail:21337068@zju.edu.cn

郭永勝，男，副教授，博士，從事吸熱型碳?xì)淙剂涎芯?；E-mail:wjjw@zju.edu.cn

1001-8719(2015)02-0418-08

TQ51; TQ203

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.02.020