科學技術   催化   合成氨   納米技術

1.引言

    工業催化作為化學學科科學技術的典型代表不僅成為推動當代經濟發展的動力，也成為增強綜合國力的戰略資源。21世紀是充滿挑戰的世紀，人類依然面臨糧食短缺、能源枯竭、生態破壞、環境污染等問題。催化劑不僅在化學、化工生產以及醫藥等方面具有重要作用，而且影響著人類社會的長遠發展。任何事物都存在兩面性，催化作為客觀存在的事物，自然也存在自身的利弊。現從兩個催化的典型應用實例來闡述催化劑的發展對化學工業發展的影響。

2.合成氨催化劑

2.1合成氨催化劑的研究

    工業上使用的合成氨催化劑以四氧化三鐵為主催化劑，其結構類似與天然礦物尖晶石MgAl₂O₄，根據相分析結果為α-Fe（體心立方結構）。實驗結果表明，在α-Fe 中添加適量的助劑（如氧化鋁、氧化鉀、氧化鈣、氧化鎂和二氧化硅等） 可以改善其催化活性及催化劑穩定性。氧化鋁是一種結構型助劑，可以束縛住表面游離的氧化鉀，生成鋁酸鉀，減少其流失，還可以增加催化劑的抗硫性和抗氯性；氧化鉀是一種電子型助劑，可以加快電子傳遞給氮氣，提高催化活性，還可以中和氧化鋁的酸性，減弱其對氨氣的吸附；氧化鈣和氧化鎂的作用類似，可以顯著的提高催化劑的低溫活性；二氧化硅促進催化劑的物理結構的改變，從而調節表面鉀離子的分布。20世紀80年代初期，研究者們在傳統的鐵基合成氨催化劑基礎上，通過添加促進劑 （氧化鈷） 來提高催化劑的活性。而且該類催化劑可以在較低的溫度下進行反應，因此明顯提高了氨的凈產值。氧化鈷可以使催化劑的晶格發生變化，減小還原態催化劑的晶粒度，顯著增大比表面積，改善孔結構，提高催化劑活性。

2.2合成氨催化劑的影響

    合成氨的成功產業化生產，解決了糧食危機，Haber一度被認為是 “用空氣制造面包的上帝”。但也增加了炸藥的產量，變相的成為戰爭的促進劑。哈伯發明了催化劑，得以利用空氣中無窮的氮：他用鐵屑固定氮氣，使成噸的氨和化肥從德國工廠源源涌出。恰在此后數月，通往智利的航道被切斷，智利硝石和鳥糞的來源斷絕；而那時，第一次世界大戰陰云密布，德國正需儲備軍火。

    哈伯還掌握了催化劑的功能：化學反應中的催化劑削去了阻隔反應的山峰，降低了發生反應的臨界點，暗掘通道，伸出分子的手臂拉近最難反應的對象，使它們之間成鍵或斷鍵變得輕而易舉。

3. 納米技術在催化上的應用

    催化是早期依靠經驗發展納米技術的典型例子。由于納米微粒的尺寸較小，表面占有的體積百分數較大，表面的鍵態和電子態與顆粒內部不同，表面原子配位數不全等原因，納米級催化劑具有很多優越的條件。根據最新研究的納米材料表面形態學，減小粒徑將導致表面光滑程度變差，形成凹凸不平的原子界面，從而增加了催化反應的接觸面積。近年來納米顆粒催化劑越來越得到重視，被稱之為第四代催化劑。納米材料催化劑具有獨特的晶體結構及表面特性（表面鍵態與內部不同，表面原子配位不全等），其催化活性和選擇性都大大優于常規催化劑，甚至使原來進行很慢的反應也能完全進行。納米尺度的催化劑將大幅度的提高化學反應的速率和燃燒的效率，同時還可以顯著地減少廢物排放和環境污染。

3.1 納米二氧化鈦

    納米級的TiO₂催化劑表面具有大量的懸鍵，可以在能隙中形成缺陷能級，使催化劑表面具有很高的活性。這對納米二氧化鈦的光學性質將產生很大的影響，使其具有獨特的光催化氧化活性。這在降解水體和空氣中的有機污染物時表現出明顯的效果，有機物和細菌等可以被分解氧化為二氧化碳和雙氧水。納米二氧化鈦光催化劑的特殊作用正在引發一場所謂的“光潔凈革命”。

3.2納米分子篩催化劑

    沸石分子篩是一種水合結晶型硅酸鹽，具有均勻的微孔，其孔徑與一般分子大小相當，可以篩分大小不同的分子。分子篩具有獨特的規整晶體結構，其中每一類沸石都具有一定尺寸、形狀的孔道結構，并且具有較大的比表面積。大部分沸石的表面具有較強的酸中心，同時晶孔內強大的庫倫場起到極化作用。這些特性使得分子篩成為性能優異的催化劑。有些沸石分子篩還具有獨特的擇形催化功能，可以控制產品的組成、提高產率。

    例如，使用改性的納米ZSM-5沸石分子篩催化劑進行甲苯烷基化反應，可以得到高濃度的對二甲苯。利用ZSM-5分子篩產物擇形的特點，美國的 Mobil 公司成功地開發了甲苯乙烯烷基化生產對甲乙苯的反應。對甲乙苯經脫氫后得到對甲基苯乙烯，后者經聚合可得到性能優良的高分子材料。

3. 3納米技術的影響

    納米技術將使人類開發利用技術經歷了材料主導、能源主導、信息主導之后，正發生著三者在生物技術基礎上相互融合和在納米層次上相互融合為主導的新時代。納米技術不僅打破了不同學科之間的壁壘，更重要的是推動了科學與技術之間的相互融合。科學的目標是認識世界，而技術的目標則是改造世界。科學與技術的完整統一，是科學與技術共同發展到一定階段的必然結果。這是人類生存的客觀需求與主觀需求統一的必然要求，也為人類社會從必然王國走向自由王國指引了方向。納米技術由于能顯著的提高能源的利用率和存儲能力，被廣泛的用于監視和改善環境污染問題，調整工業的控制和生產以達到節約資源的目的。在納米尺度上進行控制也意味著在定義物理、化學和生物特性的尺度上對其特性、現象以及過程進行精確的模擬設計。同時，納米級的材料和小型機器能夠凈化空氣、水等，還可以代替人類完成許多微小精細的工作，如疏通血管，靶向施藥等。所以納米技術具有改變人類特性的潛能，這要求我們在了解納米技術發展的同時，也要意識到我們所面臨的巨大挑戰。

3.3.1對社會生產方式的影響

    納米技術同其它科技進步一樣，在社會運用中也是一把雙刃劍。美國計算機專家 Bill Joy指出： “納米技術極可能成為吞噬整個宇宙的癌癥，因為我們難以保證哪一天，神奇的納米盒子會成為潘多拉盒子，無數的納米機器人會將人類世界作為它們制造產品的原材料。”納米科技可以說是科學技術高度發展的成果之一，對社會進步，社會生產方式的進一步提高，具有巨大的促進作用。但是納米技術的濫用，卻極可能導致科技工具的異常膨脹，導致很多社會問題。

3.3.2對社會文明發展的影響

    納米技術把具有無限豐富性的人性單一化為自然原子物性，一方面將人的有限的物質需求化為無限的物質欲望；另一方面，又將具有精妙整體性的人性扯得粉碎，而后再在原子或分子的層次去進行任意的分解和組合，這勢必造成完整人性的分裂或崩潰。納米技術等高科技對社會的負面影響，不可能單純靠科學自身去解決，“人類要用理性的律令校正高科技的價值取向和使命意識”。

結束語

綜上所述，催化科學是人類進步發展的動力，人類社會要想長治久安地發展進步下去，必須合理地利用催化科學技術，把科技發展應用于人類的和平事業，構建和諧社會，和諧世界。只有這樣，才能充分享受科學技術發展所帶來的福音。

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