如何在催化領(lǐng)域中應(yīng)用鈦白粉
如何在催化領(lǐng)域中應(yīng)用鈦白粉
鈦白粉學(xué)名為二氧化鈦，是一種白色無機(jī)顏料，無毒、具有最佳的不透明性、最佳白度和光亮度，是目前世界上性能最好的一種白色顏料，廣泛的應(yīng)用于涂料、塑料、造紙、印刷油墨、化纖、橡膠、化妝品等行業(yè)。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，鈦白粉的應(yīng)用正在從傳統(tǒng)行業(yè)向功能材料延伸，如超細(xì)顆粒、電子材料、光電催化劑、煙氣脫硝以及加氫脫氮、脫硫催化劑等，特別是在催化領(lǐng)域中得到廣泛的研究和應(yīng)用。
1、二氧化鈦光催化降解有機(jī)污染物
1972年人們發(fā)現(xiàn)二氧化鈦單晶電極具有光分解水的功能以后，半導(dǎo)體的催化反應(yīng)就吸引了人們的注意。1976年人們等報導(dǎo)了在紫外光照射下，鈦白粉可將有機(jī)化合物多氯聯(lián)苯脫氯進(jìn)行降解，光催化的方法引起了廣泛的關(guān)注。近幾年來，光催化在環(huán)境方面的凈化應(yīng)用受到了人們的廣泛關(guān)注。鈦白粉作為半導(dǎo)體材料，其能帶是不連續(xù)的，價帶和導(dǎo)帶之間存在一個禁帶，其禁帶寬度帶隙能為數(shù)個電子伏特。
當(dāng)用光子能量大于或等于禁帶寬度的光照射半導(dǎo)體材料時，其價電子被激發(fā)，越過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，同時在價帶上形成相應(yīng)的空穴，即產(chǎn)生所謂電子—空穴對。在光催化的過程中，空穴具有極強(qiáng)的獲取電子的能力TiO2價帶上空穴氧化還原電位，能將水中的OH一和H2O分子轉(zhuǎn)化為氧化能力和反應(yīng)活性極強(qiáng)的羥基自由基OH，而吸附在TiO2表面的物質(zhì)或溶劑中的游離氧則俘獲電子形成O等活性極強(qiáng)的自由基，這些自由基都具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，能與各種無機(jī)、有機(jī)污染物反應(yīng)生成無毒無害的CO、H2O和無機(jī)物等。
太陽光中的紫外光能對TiO2半導(dǎo)體材料可以進(jìn)行電子激發(fā)，從而產(chǎn)生氧化性很強(qiáng)的自由基，但太陽光中紫外光占的比例并不大，太陽光中紫外光能量僅占4%，因此為了更加有效地利用太陽光，研究在可見光下具有的高效光催化活性催化材料有著非常重要的意義。通過一些列的方法，如：染料光敏化、半導(dǎo)體復(fù)合、離子注入、金屬和非金屬摻雜、TiO2與H2O2復(fù)合等，使TiO2吸收波范圍紅移，充分利用太陽光中可見光部分對TiO2半導(dǎo)體的激發(fā)，增大TiO2的光譜吸收范圍。
2、在煙氣脫硝中的應(yīng)用
電廠燃煤過程中產(chǎn)生的NOX是目前造成大氣污染的主要污染源之一，因此關(guān)于煙氣脫硫脫銷的技術(shù)研究也成為環(huán)境領(lǐng)域的重點(diǎn)。TiO2作為一種光催化劑對NOX具有光催化氧化作用，當(dāng)TiO2受到紫外線照射時所形成的具有氧化性的OH和O2自由基能將NOX中的NO和NO2分別氧化為NO2和NO3—。
選擇性催化還原技術(shù)是目前應(yīng)用及研究較多的煙氣脫硝技術(shù)之一，國外SCR催化劑的研究和應(yīng)用主要是V2O5-WO3(MoO3)/TiO2體系為主。催化反應(yīng)原理是NH3快速吸附在催化劑表面的B酸活性點(diǎn)，與NOx按照Eley-Rideal機(jī)理反應(yīng)，形成中間產(chǎn)物，分解成N2和H2O，在O2的存在下，催化劑的活性點(diǎn)很快得到恢復(fù)，繼續(xù)下一個循環(huán)。
鈦白粉為脫硝催化劑的載體，主要對催化劑活性組分及催化助劑起機(jī)械承載和抗磨蝕作用，并可增加有效的催化反應(yīng)表面積及提供合適的孔結(jié)構(gòu)，使催化劑具備適宜的形狀。釩的氧化物在鈦白粉表面有很好的分散度。由于載體有微弱的催化能力，它減少了催化劑活性組分的用量，降低了制備成本。鈦白粉作為載體在催化劑中的質(zhì)量含量是最大的，所以脫硝催化劑將會是鈦白粉的又一大的應(yīng)用領(lǐng)域。
3、在催化加氫中的應(yīng)用
①在加氫脫硫、脫氮中的應(yīng)用
隨著原油中成分重組以及氮、硫和金屬等有害成分的增加，油品中的硫和氮在燃燒過程中生成的硫氧化物和氮氧化物造成的環(huán)境污染，使油品脫硫、脫氮問題受到人們廣泛的關(guān)注，催化加氫是油品脫硫、脫氮的重要手段，多年來加氫脫硫一直受到廣泛關(guān)。然而，高氮含量重油和某些礦物燃料的加工處理已越來越受到重視，同時油品中的氮化物對HDS反應(yīng)有較強(qiáng)的抑制作用，因此為了得到清潔的油品，同時研制具有HDS和加氫脫氮性能的催化劑成為了必然。
TiO2-A12O3復(fù)合氧化物結(jié)合了A12O3的高比表面積和TiO2優(yōu)良的催化性能，A12O3具有較大的比表面積和孔容，并具有適宜的酸性中心，是良好的加氫催化劑載體。TiO2作為一種新型載體，具有酸度較強(qiáng)、同時具有B酸和L酸兩種酸位以及可還原等優(yōu)點(diǎn)，兩者結(jié)合還能產(chǎn)生單獨(dú)氧化物所不具備的獨(dú)特的物理化學(xué)性能。
另外在催化劑的前期處理中不需預(yù)硫化，在反應(yīng)物中硫含量不足時不需補(bǔ)硫，這不僅大大降低了固有成本，而且節(jié)省了使用費(fèi)用，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。
②在N=O鍵和C=0鍵液相選擇性加氫反應(yīng)中的應(yīng)用
N=O鍵和C=0鍵加氫是化工生產(chǎn)中的最重要的一個步驟，如芳香族胺化合物和不飽和醇的制備，由于反應(yīng)物在含有N=O鍵和C=0鍵的同時通常還含有C=C鍵，且反應(yīng)以液相體系加氫為主，因此選擇合適的催化劑有一定難度。
TiO2具有很好的水熱穩(wěn)定性和耐酸堿性，能夠在較苛刻的液相加氫反應(yīng)中使用，同時活性金屬組分與TiO2之間存在的相互作用可以促進(jìn)炔烴及其他化合物中的炔鍵選擇性加氫，因此，越來越多的研究者開始關(guān)注以TiO2為載體的催化劑在N=O鍵和C=0鍵液中相選擇性加氫反應(yīng)中的應(yīng)用。
鈦白粉作為半導(dǎo)體材料，具有很強(qiáng)的光催化活性，可作為光催化劑應(yīng)用到有機(jī)污染物的降解之中，鈦白粉中的雜質(zhì)也可以起到摻雜的作用，使鈦白粉吸收波范圍擴(kuò)大。同時鈦白粉還是其它催化劑良好的載體，起到對催化劑的承載和助催化的作用，所以鈦白粉在催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
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