催化劑載體

催化劑載體又稱擔體（support），是負載型催化劑的組成之一，是催化劑活性組分的骨架，支撐活性組分，使活性組分得到分散，同時還可以增加催化劑的強度。但載體本身一般並不具有催化活性。

多數載體是催化劑工業中的產品，常用的有氧化鋁載體、矽膠載體、活性炭載體及某些天然產物如浮石、 硅藻土等。常用“活性組分名稱-載體名稱”來表明負載型催化劑的組成，如加氫用的鎳-氧化鋁催化劑、氧化用的氧化釩-硅藻土催化劑。

基本介紹

• 中文名：催化劑載體
• 外文名：support
• 又稱：擔體
• 定義：負載型催化劑的組成之一

分類

催化劑載體種類較多，有金屬氧化物載體、分子篩載體及其他載體。

作用

主要體現為：

（1）固定TiO2、防止流失、易於回收和提高TiO2的利用率；

（2）增加TiO2光催化劑整體的比表面積；

（3）提高光催化活性。因為某些載體可與TiO2發生相互作用，有利於E－H+的分離並增加對反應物的吸附，同時實現載體的再生；

（4）提高光源利用率。如將TiO2製成薄膜後，催化劑表面受到光照射的催化劑粒子數目增加；

（5）將催化劑用載體固定，便於製成各種形狀的光催化反應器。

光催化劑載體首先要求能改善所擔載的物質的組織結構（如增加孔隙、表面積等），同時由於光催化劑是靠光和催化劑的結合來發揮催化作用的，只有被光激活的催化劑才具有光催化效果。因此，良好的光催化劑載體應具有以下特點：具有良好的透光性；在不影響TiO2催化活性的前提下，與TiO2顆粒間具有較強的結合力；比表面積大；對被降解的污染物有較強吸附性；易於固液分離；有利於固－液傳質；化學惰性等。

種類

國內外研究較多的催化劑載體有：SiO₂，Al₂O₃、玻璃纖維網（布）、空心陶瓷球、海砂、層狀石墨、空心玻璃珠、石英玻璃管（片）、普通（導電）玻璃片、有機玻璃、光導纖維、天然粘土、泡沫塑膠、樹脂、木屑、膨脹珍珠岩、活性炭等。

天然礦物

天然礦物類物質本身具有一定的吸附性和催化活性，且耐高溫，耐酸鹼，常被用作催化劑的載體。已被用作TiO₂載體的有硅藻土、高嶺土、天然浮石和膨脹珍珠岩等。劉勛等研究了幾種不同天然礦物（硅藻土、蛭石、高嶺土、膨潤土、矽灰石和海泡石）與納米TiO₂的複合。結果表明，在6種天然礦物所製得的複合材料中，以海泡石光催化降解效率最高，作用6h後，對甲基橙光降解率達到98%。其次是硅藻土和矽灰石，分別達到87%和85% 。且光催化降解效率與天然礦物吸附能力呈一一對應關係。陳愛平等以輕質絕熱保溫建築材料膨脹珍珠岩作載體，製得了能長時間漂浮於水面的納米TiO₂負載型光催化劑，用於水面浮油的太陽光光催化降解。周波等採用天然浮石為載體負載TiO2作光催化劑，利用高壓汞燈為光源對有機磷農藥的光催化降解進行了研究。結果表明，濃度為1.2×10^－4 mol·L^－1的農藥光照2h左右可完全被光催化氧化為PO₄。

吸附劑

這類載體為多孔性物質，比表面積較大，是使用最為廣泛的一類載體。用作負載TiO2的吸附劑類載體主要有活性炭、矽膠、多孔分子篩等。吸附劑類載體可以獲得較大的負載量，可以將有機物吸附到TiO2粒子周圍，增加界面濃度，從而加快反應速度。崔鵬等將活性炭負載到TiO2膜作為光催化劑對甲基橙水溶液進行了光催化降解試驗。結果表明，與商品化的TiO₂微粉光催化劑的降解性能相比，其降解速率較高，由於TiO₂/C光催化劑中活性炭良好的吸附性能，使得光催化反應體系內產生了吸附－反應－分離的一體化行為，提高了光催化速率。國外的V.M.GuNk等研究表明，在不同負載量下，TiO₂在矽膠表面均沒有形成連續塗層；TiO₂和SiO₂之間的作用力包括氫鍵、靜電力和少量的Si－O－Ti鍵，SiO₂抑制了TiO2從銳鈦型向金紅石型的相變。國內的鄭光濤等採用溶膠－凝膠法將改性後的高效TiO₂光催化劑負載於球形矽膠上，得到了具有混晶結構、大比表面積、高活性的納米TiO2光催化劑。負載後的催化劑在紫外區具有強的吸收，比表面積達到379.8m·g^－1。鄭珊等合成了TiO₂呈單層分散或雙層分散狀態的多孔分子篩MCM－41。結果表明，負載後，MCM－41孔道表面的SiO2以化學鍵相連生成Si－O－Ti鍵。

海泡石結構示意圖

玻璃

玻璃價廉易得，具有良好的透光性，便於設計成各種形狀，引起了研究者的重視。用於TiO₂光催化劑的載體有玻璃片、玻璃纖維網（布）、空 心玻璃珠、玻璃螺旋管、玻璃筒、石英玻璃管（片）、普通（導電）玻璃片、有機玻璃等。張新英等以空心玻璃微球為載體，用溶膠－凝膠法製備負載型複合光催化劑，所得催化劑可以漂浮在水面上，便於回收和重新利用。有人認為可以採用：物料研磨→篩分→配料→混合→加水→混合→擠壓成型→乾燥→燒成，這一路線製備多孔催化劑載體。

陶瓷

陶瓷也是一種多孔性物質，對TiO₂顆粒具有良好的附著性，耐酸鹼性和耐高溫性較好，也可用作催化劑載體。若在日常使用的陶瓷上負載TiO₂，可以製成具有良好自潔功能的陶瓷，起到淨化環境的作用。賀飛等採用溶膠－凝膠法，在自製的陶瓷釉體表面製得粒徑大小為40～100nm的TiO₂晶粒。它緊密結合，形成透明均一無“彩虹效應”的TiO₂光催化薄膜型自潔功能陶瓷，具有超級親水性和去污功能。

有機分子

由於TiO₂在陽光下能光催化氧化降解有機物，所以一般不用有機材料做載體。而某些高分子聚合物，如飽和的碳鏈聚合物或氟聚合物，有較強的抗氧化能力，所以也可以用於負載型TiO2的研究。但由於·OH^-，·O^2-的強氧化性，這些高分子聚合物載體只能在短期內使用。用於負載TiO₂的高分子聚合物載體有：聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯、聚丙烯、ABS，NAfiON薄膜等。劉平等研究認為，TiO₂粒子的形成與長大均限制在NAfiON的微小孔籠中，粒子形成過程所需的物質傳遞也僅能通過小通道進行；在該實驗的合成條件下，TiO₂晶體大小僅取決於NAfiON孔籠直徑。

此外，在載體選擇時，必須對效率、催化活性、催化劑負載的牢固性、使用壽命、價格等作綜合考慮。