催化剂的重要性

出于多种原因，催化剂至关重要。首先，它们显着加速化学反应，使工业过程更加高效且更具成本效益。如果没有催化剂，许多反应将发生得太慢或需要极高的温度和压力，从而使其不切实际或不经济。

其次，催化剂能够实现选择性反应，从而能够生产特定的化合物，而不会产生不需要的副产物。这种选择性对于药物、农用化学品和其他复杂分子的合成至关重要。

第三，催化剂有助于环境可持续性。它们促进更清洁的反应，减少浪费和能源消耗。此外，它们在污染控制方面发挥着关键作用，例如在消除汽车尾气中有害排放物的催化转化器中。

催化剂的类型

催化剂大致可分为两类：均相催化剂和非均相催化剂。

均相催化剂与反应物存在于同一相中。它们通常由溶解在液体溶液中的金属离子、酸或碱组成。均相催化剂具有高效性和选择性，但其从产品中的回收和分离可能具有挑战性。

另一方面，多相催化剂与反应物存在于不同的相中，通常以固体形式存在。它们具有易于分离和重复使用的优点。常见的例子包括金属表面、金属氧化物和沸石。然而，它们的活性和选择性可能受到多种因素的影响，例如表面积、粒径和温度。

催化剂的应用

催化剂在众多工业和自然过程中有着广泛的应用。

在化学工业中，催化剂用于生产氨、和聚合物等基本化学品。例如，将氮和氢转化为氨的哈伯-博世工艺依赖于铁基催化剂。

在石油工业中，催化裂化和重整是将原油精炼成汽油、柴油和其他石化产品的重要过程。沸石和铂基化合物等催化剂可分解较大的碳氢化合物分子，并将其重新排列成更有价值的产品。

在生物学中，酶充当天然催化剂，加速生物体中的生化反应。酶以卓越的效率和特异性促进消化、代谢和 DNA 复制等过程。

在环境保护方面，催化剂有助于减轻污染并促进可持续实践。汽车中的催化转化器将一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物等有毒气体转化为危害较小的物质。此外，催化剂还用于废水处理和绿色能源技术，例如燃料电池和太阳能电池。

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摘要：这里系统地介绍了国内外多种催化剂新技术、新材料和新产品发展动态和发展趋势，针对我国催化剂技术发展现状，对催化剂行业的发展提出了自己的见解。

1.前言

催化剂的主要作用是降低化学反应的活化能，加快反应速度，因此被广泛应用于炼油、化工、制药、环保等行业。催化剂的技术进展是推动这些行业发展的有效的动力之一。一种新型催化材料或新型催化工艺的问世，往往会引发革命性的工业变革，并伴随产生巨大的社会和经济效益。

1913年，铁基催化剂的问世实现了氨的合成，从此化肥工业在世界范围迅速发展；20世纪50年代末，Ziegler－Natta催化剂开创了合成材料工业；20世纪50年代初，分子筛凭借其特殊的结构和性能引发了催化领域的一场变革；20世纪70年代，汽车尾气净化催化剂在美国实现工业化，并在世界范围内引起了普遍重视；20世纪80年代，金属茂催化剂使得聚烯烃工业出现新的发展机遇。目前，人类正面临着诸多重大挑战，如：资源的日益减少，需要人们合理开发、综合利用资源，建立和发展资源节约型农业、工业、交通运输以及生活体系；经济发展使环境污染蔓延、自然生态恶化，要求建立和发展物质全循环利用的生态产业，实现生产到应用的清洁化。

2.国外催化剂技术发展趋势

经过长期的发展，催化剂的应用领域已趋向如下局面：传统的石油化工技术基本趋于成熟，但需要新催化剂以满足原料性质变差、产品升级换代以及日趋苛刻的环保要求；天然气化工和煤化工在经济上还不能与石油化工竞争，所涉及的催化技术有很大的相似性；用于高附加值化学品和药物中间体合成为主的精细化工催化技术相对较为分散，发展迟缓，目前正在得到加强；以环境治理和环境保护为目的催化技术得到了广泛的重视。

 据统计，全世界石油加工的产值为940多亿美元，基本有机化工和精细化工分别520和480亿美元左右，虽然在产量上，后二者之和低于前者，但其产值已超过石油加工，而且呈上升趋势。新型催化剂、高效催化反应技术和催化新材料及催化剂制备共性技术的创新是推动这些产业发展的核心。其中，环保用催化工艺及相应的新型催化剂、催化剂制备精细化等的发展是关键，也是今后催化剂技术的主要发展方向。

2.1 新型催化剂的开发与应用发展迅速

2.1.1 炼油与化工催化剂

新型、高效催化剂的研制，是石油和化学工业实现跨越式发展的基础。近年来，国际上有关催化的研究中，近50%的工作围绕开发新型催化剂展开，且对其重视程度日益增加。另一显著特点，是新型催化剂的开发与环境友好密切联系，即要求催化剂及催化技术生产生活必须品的同时，从源头消除污染。固体酸催化剂是近年来国际上发展起来的一类新型催化剂，因其可在酯化、烷基化、异构化等重要反应中替代传统催化剂，并从源头杜绝污染，从而成为发展势头为强劲的一类新型催化剂。

均相碱催化在化学品合成中占有相当比例，如环氧化物开环加成合成表面活性剂、酯交换制备精细化学品等，但因严重的污染问题对环境造成恶劣影响。近年来，以固体碱替代传统氢氧化钠等液碱催化剂已成为必然的发展趋势。

由于对催化剂活性、经济、环保的要求，煤液化催化剂的研究重点已经集中在超细粒分散型铁基催化剂的制备与加入方式上，今后的研究课题仍需在用离子交换法引入催化剂的方式、直接浸渍方法的改进、纳米级氧化铁和改性(硫化)氧化铁的应用、低浓度的可促进铁基催化剂活性提高的金属的加入等方面做工作。

2.1.2 汽车尾气净化催化剂

随着汽车发动机新技术的应用及环保法规的日益严格，汽车尾气转化催化剂将呈以下发展趋势。首先，为提高燃料燃烧效率和减少CO排放，汽车发动机将逐渐采用贫燃技术。据有关报道，该发动机比常规发动机的燃料经济性高出20%～25%。由于氧气过剩，因而将NOX还原脱除就成为一技术难题。目前正在研究的解决方案包括NOX捕集、选择性还原和电热催化剂等，该技术可望于近期在欧洲工业化。其次是设计发动机冷启动时能快速预热的催化剂。

在欧洲和北美，汽车排放污染物主要是在催化转化器预热之前的早期排放引起的。在今后数年中，美国、欧洲和日本将生效的更为严格的排放限制主要是针对启动前20～30s尾气的净化。此外，汽车尾气转化催化剂生产商正致力于减少催化剂中的贵金属含量。第三是消除H2S的排放。

2.1.3 光催化剂

20世纪 70年代初的石油危机不仅带来了光电化学的迅速发展，而且引起了对光催化剂领域的广泛关注。近 30年来，由于在环境治理、太阳能转换、临床医学等诸多方面的潜在应用，光催化及其相关技术得到了快速发展，尤其在污水处理和太阳能转换方面得到了广泛研究。

从光催化剂应用的前景来看，目前主要应用领域：一是二氧化钛涂层的自洁净功能。将二氧化钛镀在建筑材料、交通工具、室内装修材料的外表，利用生活中的太阳光、照明灯光即能分解这些表层的污染物，雨水清洗即实现自洁功能。二是超亲水性能用于制备防雾设备。如涂有超亲水光催化性薄膜的玻璃遇到水气时表面形成了均匀的水膜，所以镜像保持清晰。三是空气和水资源的净化。

需求总是促进科学研究的发展。就以聚氨酯发泡剂硬泡为例，在所有保温材料中虽然聚氨酯发泡剂泡沫塑料各方面的性能好，而成本也高，其中一个原因是制品整体密度 高;在生产工艺上虽然灵活方便但物料在反应过程中对操作工艺条件的敏感性使制品质量波动，需要经常地调整配方，对于制品生产厂造成损失，当然有些问题增加 投料量也是解决问题的一种方法，其结果以增加成本为代价;聚氨酯发泡剂耐温不能超过120度;在阻燃性上加了阻燃剂效果阻燃性达到B2级。在应用上想说爱你，都 难。正是这些弱点成为聚氨酯发泡剂泡沫塑料发展的瓶颈。要解决这一瓶颈的问题就要先了解目前影响质量波动和高密度等问题的因素。从模塑泡沫成型特征看，发泡时是注料操作，泡沫就有流动的问题，如果泡沫流动的不好在制品中泡沫的密度就不一致，这时就要用多投料的方法使密度低处也能 达到合格的强度和表皮。怎样达到密度一致，在发泡反应的过程中控制泡沫的流动性是一个途径，为什么环境工艺条件对制品质量影响那么大。催化剂在其中的作用 是什么。

从聚氨酯发泡剂化学特征看顾名思义聚氨酯发泡剂即聚氨基甲酸酯，是异氰酸酯与羟基化合物反应的产物，加入水可以生成脲基和二氧化碳而发泡生成泡沫塑料，催化剂起着重 要的作用，催化剂不仅能加速反应速度，而且是发泡工艺的重要的控制手段。选择恰当的催化剂体系能使在链增长反应(异氰酸酯-羟基反应)和发泡反应(异氰酸 酯-水反应)二者之间建立较好的平衡，使聚合物的形成和气体产生的速率相互平衡，在发气反应的同时泡沫壁具有足够的强度，将气体有效的包囊在泡沫体内，发 泡完成后凝固成型。目前有两大类催化剂：叔胺类和有机金 属盐类催化剂，叔胺类催化剂以三乙烯二胺，NN-二甲基环己胺为代表，有机金属有有机锡类和羧酸盐类。虽然目前已有很多上述类型催化剂可用，人们也在根据 催化活性的强弱反复地试验，以浇注成型为例人们要根据制品的形状大小控制发泡和固化的时间，要在这两类催化剂中反复的调节寻找发泡和凝胶的平衡以期增加泡 沫的流动性和成型。然而因聚氨基甲酸酯所顾有的弹性韧性，使泡沫在发泡中后期泡沫被拉长，这就是所谓的拉丝现象，使所得制品在浇注料之处泡沫密度大，拉丝 处密度小，虽然也可固化成型，但受外界影响仍有变形的可能，如果为了增加交联多加水，和异氰酸酯生成脲低聚物，又会使泡沫酥脆。人们为防止变形，除了增加 密度就是 加热模具增加熟化时间。

从聚氨酯发泡剂化学特征看顾名思义聚氨酯发泡剂即聚氨基甲酸酯，是异氰酸酯与羟基化合物反应的产物，加入水可以生成脲基和二氧化碳而发泡生成泡沫塑料，催化剂起着重 要的作用，催化剂不仅能加速反应速度，而且是发泡工艺的重要的控制手段。选择恰当的催化剂体系能使在链增长反应(异氰酸酯-羟基反应)和发泡反应(异氰酸 酯-水反应)二者之间建立较好的平衡，使聚合物的形成和气体产生的速率相互平衡，在发气反应的同时泡沫壁具有足够的强度，将气体有效的包囊在泡沫体内，发 泡完成后凝固成型。目前有两大类催化剂：叔胺类和有机金 属盐类催化剂，叔胺类催化剂以三乙烯二胺，NN-二甲基环己胺为代表，有机金属有有机锡类和羧酸盐类。虽然目前已有很多上述类型催化剂可用，人们也在根据 催化活性的强弱反复地试验，以浇注成型为例人们要根据制品的形状大小控制发泡和固化的时间，要在这两类催化剂中反复的调节寻找发泡和凝胶的平衡以期增加泡 沫的流动性和成型。然而因聚氨基甲酸酯所顾有的弹性韧性，使泡沫在发泡中后期泡沫被拉长，这就是所谓的拉丝现象，使所得制品在浇注料之处泡沫密度大，拉丝 处密度小，虽然也可固化成型，但受外界影响仍有变形的可能，如果为了增加交联多加水，和异氰酸酯生成脲低聚物，又会使泡沫酥脆。人们为防止变形，除了增加 密度就是 加热模具增加熟化时间。

异氰酸酯的三聚体是六节环的异氰脲酸酯也是提高制品强度耐热性的结构，生成聚异氰脲酸酯需要大于150度。传统催化剂中因无对以上二级反应三聚反应的有 效的催化剂，所以在聚氨酯发泡剂泡沫塑料的产品时常需在中后期经高温停放过程就是为了形成交联，即熟化以便改善制品的强度和永久变形等性能。实际上异氰酸酯的二级反应需要一类能给异氰酸酯更高的能量的催化剂使其配合一级反应催化剂与一级反应同步或协调进行并能与生成的一级产物相容而利于二级 反应的进行，催化剂既要有高的反应选择性，能将所有的二级反应和三聚反应进行到底，生成聚氨酯发泡剂聚脲基甲酸酯聚异氰脲酸酯聚脲。若能研发这类催化剂，将是聚 氨酯的一场革命，聚氨酯发泡剂就可以改名为聚脲氨酯即聚异氰脲酸基聚脲基氨基甲酸酯，它的发泡路线就不是那种改性的路线，即生成氨基甲酸酯后生成聚异氰脲基或 脲酸酯，而是同步接续的反应所以更利于泡沫的形成和独立性因为链增长和网络的形成是同时进行，异氰酸酯永远是跑在多元醇合物的前面，所以不论在哪里注料， 泡沫总是均匀地向四周分布，只要异氰酸酯足够和这样的催化剂是足够的，反应到完成泡沫也不会有拔丝现象。所以所得的泡沫制品总体密度就可以降低，强度可大 幅度提高，其反应完成就是固化之时熟化也随即完成。所得产物泡沫制品可以不用后期的高温停放，表皮自然不脆，而且强度高，泡沫尺寸稳定性好。而且能耐高温 可超过150度，异氰酸酯的指数足够的话可提高阻燃等级。开发这类反应的催化剂将有望突破聚氨酯发泡剂发展的瓶颈。找到了目标产物和所要进行的反应了，寻找什么样的化合物作为催化剂将是艰巨的任务，这类催化剂的问世将是聚氨酯发泡剂泡沫塑料行业的福音。