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改变世界的8大催化剂

催化剂在人类文明进步与世界经济发展中扮演着非常重要的角色,它的每一次重大突破,都极大地改变了人类的生产与生活方式。今天介绍工业革命以来改变世界的八种催化剂,每一种催化剂的出现都孵化出一个新型的行业。


改变世界的8大催化剂

1. 硫酸合成催化剂

硫酸工业是近代最重要的工业。1875年,一位名叫雅各布的德国化学家建立了世界上第一条生产改变世界的8大催化剂发烟硫酸的生产线,当时用的就是非常昂贵的铂催化剂,这是固体工业催化剂的先驱。十年后,德国BASF公司的化学家开发了一种更经济高效的替代工艺,采用目前广泛使用的V2O5为催化剂,也正是由于这种硫生产工艺使巴斯夫一跃成为当时全球最大的硫酸生产商。为什么在十九世纪硫酸如此重要,因此硫酸是当时几乎所有行业的原料,冶金、机械、军事、纺织,犹如二十世纪下半叶的石油,二十世纪的芯片。在军事领域,硫酸更是被所有国家视为战略物质,更是制作炸药的基础原料。

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2、合成氨催化剂

如果要说人类最重要的的发明是什么,德国化学家哈伯的合成氨工艺绝对排得上第一。合成氨工艺的工业化意味着人类可以利用无机物氮气和氢气生产大量的氨气,也就是农业中的氮肥,而氮肥的工业化供应意味着粮食产量的大幅增加。合成氨的出现推动的化肥工业与其他工业的迅猛发展,对人类的好处也是不可估量的。

最重要的,能够让合成氨工艺顺利工业化的主要原因就是铁系催化剂的发明。在以前,即使是在高温和高压的条件下,氮气与氢气生成氨气的效率也是非常的低。1909年,德国化学家Fritz Haber在200个大气压和600℃下通过使用锇这一金属作为催化剂直接得到了产率为6%的氨气。2年后,Haber有开发了价格更便宜,性能更高的铁催化剂,并且建立了一个日产30吨的合成氨工厂。这是人工固氮的重大胜利,也是催化剂在化学工业与化学研究中的重大胜利。因为合成氨工艺发明,Haber于1918年获得诺贝尔化学奖。

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这两位就是费和托,合并为费-托

3、费托合成催化剂

20世纪初,随着汽车与飞机工业的发展,对液态燃料的需求急剧增加,各国政府都在如何高效生产更低成本的液态燃料加大投入。费托合成工艺就是在这一背景下发明的,这是一种以合成气(一氧化碳和氢气的混合气体)为原料在催化剂和适当条件下合成以液态烃或碳氢化合物的工艺过程。这种工艺首先是由德国科学家Ficher和Tropch于1923年发现的,经过13年的深入研究并于1936年才在德国实现工业化。一开始Ficher和Tropch用的催化剂是Co-Tu-硅藻土催化剂,后来逐渐应用发展到熔铁、Co、钌等各种负载型催化剂,催化性能更加优越。

在石油化学工业发展之前,费托合成工艺可以说是化学工业与交通运输行业最重要的技术。目前,费托合成逐渐呈现高温化、大型化、产品多样化的特点。目前,最先进的高温费托合成装置,在生产高质量油品的同时还生产二三十种以上的高附加值化工产品,进一步延长煤化工产业链,增加下游产品种类。

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4、石油炼化催化剂

几乎所有的石油炼制工艺都需要催化剂,包括催化改变世界的8大催化剂裂化、催化重整、催化加氢、烷基化、醚化、催化脱氢脱硫。石油炼制催化剂更是占到了催化剂市场份额的1/3。最早使用的催化剂是改变世界的8大催化剂沸石分子筛,X-、Y-型沸石,特别是Y-型沸石目前仍是催化裂化工艺的主要活性成份。目前,能够应用石油炼化的催化剂种类繁多、性能多样,如下:ZSM-5、USY、Pt/Al2O3、MoS2

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5、手性选择催化剂

手性选择催化剂的主要应用领域是药物分子。一般情况下,同一种分子含有两种异构体,两者互为镜像,其中一种具有药理学作用,而另外一种没有作用。但是通常的化学工艺两种异构体同时生成,可能有药理学的反而产率极低。而催化剂的作用就是提高产率。最具代表性的催化工艺是治疗帕金森氏症的左旋多巴的合成。1974年,美国孟山都公司开发出了具有很高的选择性的催化剂,能在合成反应中选择性地催化左旋多巴的生成反应,使得产物几乎不含右旋多巴,这一成果使左旋多巴成为治疗帕金森氏症的首选药物。这一革新的例子,可以说是化学生产中利用催化剂的选择性的经典之作。而当时供职于孟山都公司、对这一合成反应居功至伟的威廉•诺尔斯,也终于因这一研究而获得2001年诺贝尔化学奖。

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6,三元催化剂

三元催化剂的的主要作用就是将汽车尾气的中CO、NOx,HC等有毒化合物转化为CO2与水。因为目前的催化剂含有铂、钯、铑三种贵金属催化剂,所以被称为三元催化剂。1974年,第一个空气清洁法在美国实施,当时只控制CO和HC,所采用的汽车尾气处理催化剂为Pt-Pd氧化型催化剂;后来随着光化学烟雾对空气的破坏越来越严重,NOx也成为了空气排放的重要指标。1989年,福特汽车公司首次在试验中将Pd/Rh催化剂作为三效催化剂的组成部分,同时对CO、HC、NOx三种有害物起催化净化作用。三效催化剂从此成为汽车尾气处理工业的经典催化剂。


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7、齐格勒-纳塔催化剂

目前,各种形形色色的人造纤维、人造树脂和人造橡胶等高分子材料已经成为人们日常生活中不可或缺的重要组成部分。然而很少有人会意识到,所有这些材料的的生产,都离不开背后庞大的聚烯烃工业和推动聚烯烃工业跨越式发展的齐格勒-纳塔(Ziegler-Natta)催化剂。在以前,烯烃化合物的聚合都需要在高压条件下进行,并且反应存在太多不足:副反应较多,压力过高,聚合度过低。在这中背景下,德国化学家卡尔·齐格勒(Karl Ziegler)和意大利化学家居里奥·纳塔(Giulio Natta)发明了用于烯烃聚合的催化剂,即Ziegler-Natta催化剂(Z-N催化剂),大大降低了合成聚烯烃的难度。因为齐格勒-纳塔催化剂的发明,两人与1963年分享诺贝尔化学奖。

齐格勒-纳塔催化剂是一种均相催化剂,主要由过度金属的盐类与主族金属的烷基盐类组成。经过近70年的发展,齐格勒-纳塔催化剂已经由最初的均相往非均相发展。

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8、电催化剂

电催化剂的应用主要是随着新能源产业的发展逐渐兴起的。近十年后,随着新能源比例的增加以及储能市场的扩大,氢能的制备与使用逐渐深入各行各业。如果要论规模,电催化剂的市场规模比例依旧很小,但是目前各国都加大氢能。电催化剂的最大应用领域就是电解制氢与燃料电池,在这两方向上,以Pt、Pd为代表的贵金属催化剂显示了绝对的催化剂活性,这是其他任何过度金属催化剂不能比拟的。而在燃料电池与电解制氢领域,最大的技术难点就是催化剂的合成。目前,各国都加加大氢能产业的投入,预估到2050年,全世界氢能行业的产值能达到20万亿美金。

(责任编辑:化学自习室)
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