В химии носитель катализатора представляет собой материал, обычно твердый с большой площадью поверхности , к которому прикреплен катализатор . [1] Активность гетерогенных катализаторов в основном стимулируется атомами, присутствующими на доступной поверхности материала. Следовательно, прилагаются большие усилия для максимизации удельной площади поверхности катализатора. Один из популярных методов увеличения площади поверхности заключается в распределении катализатора по поверхности носителя. Носитель может быть инертным или участвовать в каталитических реакциях. Типичные носители включают различные виды активированного угля , оксида алюминия и кремния . [2]
Для приготовления катализаторов на носителях используются два основных метода. В методе пропитки суспензия твердого носителя обрабатывается раствором прекатализатора, а затем полученный материал активируется в условиях, которые преобразуют прекатализатор (часто соль металла) в более активное состояние, возможно, сам металл. В таких случаях носитель катализатора обычно находится в форме гранул. В качестве альтернативы катализаторы на носителях могут быть приготовлены из гомогенного раствора путем совместного осаждения . Например, кислый раствор солей алюминия и прекатализатора обрабатывают основанием для осаждения смешанного гидроксида, который затем прокаливают . [3]
Носители обычно термически очень стабильны и выдерживают процессы, необходимые для активации прекатализаторов. Например, многие прекатализаторы активируются путем воздействия потока водорода при высоких температурах. Аналогично, катализаторы загрязняются после длительного использования, и в таких случаях их иногда повторно активируют циклами окисления-восстановления, снова при высоких температурах. Катализатор Филлипса , состоящий из оксида хрома, нанесенного на кремний, активируется потоком горячего воздуха. [4]
Носители часто рассматриваются как инертные: катализ происходит на каталитических «островках», а носитель существует для обеспечения больших площадей поверхности. Различные эксперименты показывают, что эта модель часто чрезмерно упрощена. Известно, например, что адсорбаты, такие как водород и кислород, могут взаимодействовать с островом на остров через носитель и даже мигрировать с него без повторного попадания в газовую фазу. Этот процесс, при котором адсорбаты мигрируют в носитель и из него, называется спилловером. Например, предполагается, что водород может «проливаться» на оксидный носитель в виде гидроксильных групп. [5]
Распространенной проблемой в гетерогенном катализе является выщелачивание , форма дезактивации, при которой активные виды на поверхности твердого катализатора теряются в жидкой фазе. Выщелачивание вредно по экологическим и коммерческим причинам и должно приниматься во внимание, если катализатор будет использоваться в течение длительного периода времени. Если связывающие взаимодействия между катализатором и его носителем слишком слабы, выщелачивание будет усугубляться, и его активность снизится после длительного использования. Для электрофильных катализаторов выщелачивание можно решить, выбрав более основной носитель . [6] Поскольку эта стратегия может отрицательно влиять на активность катализатора, требуется тонкий баланс между смягчением выщелачивания и активностью. [7]
Сильное взаимодействие металл-носитель - это еще один случай, подчеркивающий чрезмерное упрощение, что гетерогенные катализаторы просто поддерживаются на инертном веществе. Первоначальное доказательство было получено путем открытия того, что частицы платины связывают H 2 со стехиометрией PtH 2 для каждого поверхностного атома независимо от того, поддерживается платина или нет. Однако, когда она поддерживается диоксидом титана , Pt больше не связывается с H 2 с той же стехиометрией . Это различие приписывается электронному влиянию диоксида титана на платину, иначе называемому сильным взаимодействием металл-носитель. [8]
Молекулярные катализаторы, состоящие из комплексов переходных металлов, были иммобилизованы на носителях катализаторов. Полученный материал в принципе сочетает в себе черты обоих гомогенных катализаторов – четко определенные структуры комплексов металлов – с преимуществами гетерогенных катализаторов – восстанавливаемостью и простотой в обращении. Было разработано много способов прикрепления катализаторов комплексов металлов к носителю. Однако эта технология не оказалась коммерчески жизнеспособной, обычно потому, что гетерогенизированные комплексы переходных металлов выщелачиваются из носителя или дезактивируются им. [9]
Носители используются для придания механической стабильности наночастицам катализатора или порошкам. Носители иммобилизуют частицу, снижая ее подвижность и способствуя химической стабилизации: их можно рассматривать как твердые покрывающие агенты. Носители также позволяют наночастицам легко перерабатываться. [10]
Одним из наиболее перспективных носителей является графен благодаря своей пористости, электронным свойствам, термической стабильности и активной площади поверхности.
Почти все основные гетерогенные катализаторы поддерживаются, как показано в таблице ниже.