作者：北海道大学催化剂科学研究所催化剂表面研究部门

朝仓清高教授

目录

1．光化学烟雾的行踪 2．催化剂是什么 3．决定催化剂性能的3个要素 4．反应控制

1．光化学烟雾的行踪

1970年7月18日，在东京都杉并区的某所高中，正在进行社团活动的高中生们突然接连倒下，这一事件在当时引起了很大的骚动。第二天，报道称光化学烟雾是高中生晕倒的罪魁祸首。汽车尾气中所含的氮氧化物被释放到大气中，经过光化学反应变成了有害的氧化剂，对高中生们造成了危害。

其实，光化学烟雾受害事件在汽车发达的美国早已存在。1970年是日本经济高度成长期（1954～1973年）的末期。在日本不仅发生过水俣病、痛痛病（又称“骨癌病”）等诸多公害病，光化学烟雾受害也屡有发生。但是，与其他公害病不同，光化学烟雾由汽车产生，而汽车的销售是不可能因此而终止的。不仅如此，当时预计汽车的保有量还会持续增长。事实上，1971年日本的汽车保有量约为1890万辆，而到了2019年就已增加至8180万辆。

然而在上述事件之后，再也没有听到城市中光化学烟雾受害的消息。光化学烟雾到底去哪里了？解开这个谜题的关键就是汽车催化剂。汽车上装载了去除氮氧化物NO_x（NO，NO₂）的汽车催化剂，从而使尾气中的氮氧化物NO_x大大减少，光化学烟雾受害也随之减少。

汽车催化剂是什么？汽车催化剂一般被称为三元催化剂，是利用燃料和氧分解尾气中含有的NO_x的催化剂。汽车催化剂多使用贵金属。发动机排放的尾气不会直接释放到大气中，而是首先经过安装在发动机后方的催化转换器净化，生成对大气无污染的清洁尾气后，才释放到大气中（图1）。

图1：汽车催化剂和尾气净化

催化转换器使用了开有多条通道的蜂窝状陶瓷。尾气经过通道时，在涂抹于陶瓷墙壁上的催化层的作用下得到净化。通过电子显微镜放大催化剂层，可以观察到球形氧化物和氧化物上的贵金属纳米颗粒。其中，贵金属纳米颗粒正是具有催化作用的活性物质。

2．催化剂是什么

仅仅是与汽车相关的催化剂，就包含了尾气净化催化剂，石油精炼催化剂，脱硫催化剂等多种催化剂。汽车之外，在制作塑料和合成纤维等高分子时使用聚合催化剂，药物合成所需的有机化学反应也是由催化剂引起的，此外，在我们的身体中，各种酶作为催化剂在日夜不停地工作着（图2）。

图2：被广泛使用的催化剂

在英语中，催化剂是Catalyst，催化作用是Catallysis。其中，Catallysis由瑞典的化学家贝采尼乌斯（Jons Jakob Berzelius，1779－1848）在1835年命名，是Cata（希腊语的Kata，向下）和lysis（希腊语的lyein，分解）的合成词，意思是作用于其他物质，加速分解反应。

据说，日语中的“触媒”（催化剂）是由日本化学家松原行一针对AlCl₃在苯甲化反应中的作用来命名的。此命名是非常恰当的，意指通过与化学物质接触，加速特定化学反应的物质。

在化学反应中，首先使反应物活化，然后将其转换成生成物，此过程需要进行化学键的重组。例如，氢与氧反应生成水的过程中，首先氢原子之间和氧原子之间的化学键分别断裂，并在氢原子和氧原子间形成新的化学键。氢原子之间和氧原子之间的化学键的断裂需要能量。进行反应所需的能量被称为活化能，如果不超过活化能反应就不会发生（图3）。

图3：反应所需的活化能与催化剂的关系

反应速度v、活化能Ea及温度T的关系由阿伦尼乌斯公式（Arrhenius equation）表示。

其中，A是常数，R是气体常数。由以上关系式可知，要提高反应速度，就需要提高温度。但是，如果温度过高，有可能会伴有副反应，同时会消耗大量的能量。相反，降低活化能同样能够促进反应发生。催化剂正是改变活化能的物质。

3．决定催化剂性能的3个要素

评价催化剂的性能的三个要素：活性、选择性、寿命。以下将对各要素进行详细说明。

●活性我们将通过氢分子和氧分子生成水的反应H₂+O₂→H₂O来研究催化剂的作用。反应的发生需要大量的活化能，因此只单纯地把氢气和氧气混合在一起，是无法发生反应的。在反应物中加入铂粉末，铂表面上存在不参与化学键结合的悬空键（Dangling Bond）。氢分子和氧分子容易与悬空键反应，导致被分解成原子的氢气和氧气被吸附在铂表面，通过大量悬空键在铂表面扩散。扩散后，氢原子和氧原子相遇并形成能量上更稳定的OH键，生成水然后脱离（图4）。

图4.jpg

图4：铂表面氢气和氧气的反应

此反应在室温下也能进行。像这样，通过降低活化能，使反应在温和条件下也能进行的催化剂特性被称为催化活性。

●选择性

当多种反应同时进行时，催化剂只作用于特定反应，降低其活化能。这种特性称为选择性。以丙烷CH₃-CH₂-CH₃为例，用催化剂使丙烷活化，使其与NH₃和O₂反应，转换成塑料原料丙烯腈。在此过程中，如果使用的催化剂活性过高，只能生成能量稳定的CO₂和H₂O。因此，通过选择性切断C-H键，并附加NH₃，开发出防止C-C键断裂的催化剂。例如，Mo-V-Nb-TE的氧化物将丙烷转换成丙烯腈时的选择性为80%。

●寿命

催化剂的寿命是指催化剂的有效使用期限，也是催化剂的重要性能之一。也许大家觉得催化剂本身不会发生变化，但实际上，在使用过程中，催化剂自身也会发生变化，其活性会下降，被称为失活。通常，通过稳定催化剂以延长其寿命，或是通过使其再生的方法以实际延长其使用寿命。

4．反应控制

把氢气和氧气以2:1的比例混合放入袋中，引入火花后会发生爆炸。发生爆炸的原因如下。首先，火花（存在很多电子和高能离子）将氢分子和氧分子活化，产生原子状的自由基。自由基和周围的分子剧烈反应生成水。此反应会使温度上升，进一步促进反应。另外，由于自由基会产生新的自由基，生成物变成新的反应物，产生连锁反应，导致爆炸。众所周知，爆炸威力足以将核电站建筑物瞬间摧毁。

催化剂是在温和的条件下将氢分子和氧分子分解，使其原子仅在催化剂表面活化，发生放热反应。但是，由于铂表面有限，表面积限制了产生的原子数量，从而使反应不会剧烈进行。这种催化剂的使用方法自19世纪以来被称为戴维灯（Davy Lamp）。当时，在煤矿中使用明火照明，会引发煤气爆炸。对此，人们开发了戴维灯，使用铂Pt催化剂，使燃烧平稳进行，从而降低了爆炸的危险性。此原理同样被应用于白金怀炉。

翻译：金滢洁

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

参考日本报道原文：https://www.ipros.jp/technote/basic-catalyst1/

催化剂的基础知识（1）