【行業(yè)新聞】鉑金催化劑的應(yīng)用

鉑金是化學(xué)化工行業(yè)常用的催化劑，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，以下簡單介紹鉑金催化劑的應(yīng)用。由于鉑金和鈀金有很多共同點(diǎn)和相似性，因此此文在介紹鉑金催化劑時附帶鈀金催化劑的應(yīng)用。

在元素周期表中鉑金和鈀金是上下級關(guān)系，也是貴金屬中性質(zhì)最接近的兩個元素。我曾經(jīng)介紹過在有些催化領(lǐng)域，鉑金和鈀金是可以互換的。最近，鉑金和鈀金的價格也比較接近（230RMB元/克）。但是在鉑金和鈀金右邊（周期表右邊）的白銀和黃金，雖然也是上下級關(guān)系，他們不但化學(xué)性質(zhì)就相差巨大，而且價格也差別也非常大，白銀大約7.2 RMB元/克，黃金635 RMB元/克，兩者相差90倍。黃金在催化劑領(lǐng)域的用處很小，白銀相對多一點(diǎn)，主要用于乙烯環(huán)氧化制備環(huán)氧乙烷等選擇性催化領(lǐng)域。

1. 硫酸工業(yè)領(lǐng)域

早在1831年，鉑就用于催化二氧化硫氧化成三氧化硫的反應(yīng)，這個過程被稱為工業(yè)生產(chǎn)硫酸的重要步驟之一，這一發(fā)現(xiàn)也為硫酸的工業(yè)生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。1875年，第一套接觸法硫酸裝置投入生產(chǎn)，是鉑催化劑在工業(yè)上的重大應(yīng)用。由于鉑金資源匱乏，價格昂貴，后期越來越多采用V₂O₅催化劑來替代鉑金催化劑。

2. 硝酸工業(yè)領(lǐng)域

氨氧化是硝酸工業(yè)的重要反應(yīng)，從氨到硝酸的化學(xué)反應(yīng)如下：

4NH?+ 5O?——→ 4NO+ 6H?O

2NO+ O?——→ 2NO?

3NO?+H₂O——→ 2HNO?+ NO

鉑基催化劑在氨氧化中的應(yīng)用可以追溯到1839年。最初使用的是鉑棉，后來改為鉑絲。在工業(yè)中，由于鉑絲強(qiáng)度不足，鉑中加入銠和鈀，形成鉑-銠-鈀三元合金催化劑?。

鉑基催化劑促使氨氧化成NO，NO進(jìn)一步氧化到NO₂。和二氧化硫氧化類似，現(xiàn)在越來越多采用V₂O₅催化劑來替代鉑金催化劑。

3. 石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用

加氫裂化?：在石油精煉過程中，通過加氫裂化反應(yīng)能夠促進(jìn)重油分子加氫裂化反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油。鉑系催化劑是加氫裂化中最常用的催化劑之一。它具有催化劑穩(wěn)定性高、催化效率高等特點(diǎn)。

加氫精制?：用于石油加工過程中的加氫精制反應(yīng),其催化過程是油品（或化工產(chǎn)品）中含硫有機(jī)物和含氮有機(jī)物通過催化加氫，使得C-S、C-N鍵斷裂，生成H₂S和NH₃，H₂S和NH₃很容易從油品中分離出去。從而生產(chǎn)出更清潔、高效的燃料和化工原料。

催化重整?：是在催化劑作用下，對烴類分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新排列成新的分子結(jié)構(gòu)的過程，是提高辛烷值、生產(chǎn)芳香烴的重要工藝。鉑是常用的重整催化劑，在實(shí)際使用中，為了提高催化劑性能，普遍使用Pt和其他金屬的復(fù)合催化劑?。

鉑催化劑還用于烷烴脫氫制烯烴等領(lǐng)域。

4. 精細(xì)化學(xué)品合成領(lǐng)域

在精細(xì)化學(xué)品合成、藥物合成等領(lǐng)域，鉑催化劑能夠高效促進(jìn)多種反應(yīng)。最有代表性的就是Pd/C和Pt/C催化劑，Pd/C和Pt/C催化劑廣泛用于精細(xì)化學(xué)品合成（藥物合成）中的加氫反應(yīng)（選擇性加氫反應(yīng)）?？偟膩碚f，Pd/C催化劑的加氫能力更強(qiáng)，選擇性差一點(diǎn)，更高容易引起副反應(yīng)；而Pt/C催化劑的加氫能力比Pd/C弱，但選擇性較高，副產(chǎn)物較少。

5. 煤化工領(lǐng)域

煤化工領(lǐng)域用到的貴金屬催化不多，但是我在20年前在日本北九州市立大學(xué)從事FT合成，當(dāng)時用Co/SiO₂和分子篩負(fù)載貴金屬的復(fù)合催化劑，合成氣在Co/SiO₂催化劑完成FT反應(yīng)，然后產(chǎn)物遷移到分子篩負(fù)載貴金屬催化劑表面完成裂解和異構(gòu)化反應(yīng)，這樣能夠獲得更多的汽油餾分，特別是異構(gòu)化烷烴大幅度提高，提高汽油的辛烷值。

6. 汽車尾氣領(lǐng)域

汽車領(lǐng)域是貴金屬消耗非常巨大的一個領(lǐng)域，主要在汽油車三元催化劑，和柴油車尾氣DOC模塊上。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，汽車尾氣需要的貴金屬也隨之增加。三元催化器的工作原理是當(dāng)高溫的汽車尾氣通過催化劑時，催化劑將一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化物（NOx）三種氣體經(jīng)過催化劑表面化學(xué)反應(yīng)，生成CO₂、N₂和H₂O。DOC通常安裝在柴油發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)中，作為減少有害排放的第一道防線。柴油氧化催化劑,簡稱DOC，是一種用于柴油發(fā)動機(jī)尾氣后處理的裝置，通過氧化反應(yīng)將CO、HC以及部分顆粒物(PM)轉(zhuǎn)化成為CO₂和H₂O。

7. VOCs處理領(lǐng)域

VOCs處理催化劑，主要也是貴金屬催化劑，在這里領(lǐng)域Pt和Pd的互為替代能力較強(qiáng)。當(dāng)鈀金價格暴漲時，鉑的消耗就會增加。其工作原理就是將VOCs氧化為CO₂和H₂O。這一原理，也用在高純氣體中的烴類雜質(zhì)的消除，就是利用在催化劑作用下，將高純氣體中的烴類雜質(zhì)氧化為CO₂和H₂O，達(dá)到純化的目的。

8. 燃料電池領(lǐng)域

鉑催化劑是目前燃料電池中最常用的催化劑之一，因其高催化活性、穩(wěn)定性和電化學(xué)活性而廣泛應(yīng)用于燃料電池中。因此鉑是燃料電池的“心臟”。目前氫燃料電池汽車每輛大約使用20-35克左右的鉑金。未來一旦氫燃料電池汽車普遍使用時，鉑的需求量將大幅度增加，鉑金不夠用。所以努力降低氫燃料電池所用的鉑金量，是氫燃料電池汽車能否廣泛使用的關(guān)鍵?，F(xiàn)在有報道說氫燃料電池汽車每輛可以降到鉑金6.8克左右。

9. 高分子合成

催化劑在高分子合成領(lǐng)域的使用，這方面的研究論文很少。一般來說，大多數(shù)烯烴聚合反應(yīng)都需要催化劑的參與，如乙烯的聚合生產(chǎn)聚乙烯、丙烯的聚合生產(chǎn)聚丙烯等。烯烴聚合反應(yīng)中，催化劑對于提高聚合產(chǎn)物的品質(zhì)至關(guān)重要。在烯烴聚合反應(yīng)中，常用的貴金屬催化劑包括：鈀催化劑?常用于乙烯的聚合反應(yīng)，能夠生成高密度的聚乙烯；鉑催化劑?用于制備特殊的聚合物材料，具有較高的催化活性和選擇性；銠催化劑?適用于復(fù)雜的聚合反應(yīng)體系，能夠生成具有特定功能的聚合物。

烯烴聚合催化劑，通常是金屬有機(jī)化合物，催化劑在完成催化反應(yīng)使命后合成到聚合物里面了。所以在高分子合成中催化劑的濃度是非常非常低的。

文章來源:鉑銳催化

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