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未来催化看好纳米磁材料
发布时间:2012-10-22
最新一期的《美国化学会志》杂志上发表了北京大学工学院材料科学与工程系教授侯仰龙和同事的一项研究成果。
侯仰龙告诉《中国科学报》记者:“我们合成出的磁性碳化铁纳米材料用在费托合成催化上效果非常好,这类材料在催化上的作用值得继续关注。”
费托合成是一种将合成气转化为液体碳氢燃料的工艺过程。
近日,在以“磁性纳米材料及其交叉学科的关键科学问题”为议题的香山科学会议第434次学术讨论会上,与会专家一致认为,催化将是磁性纳米材料的潜在应用。
活性高、易分离是目标
“实现催化过程调控的催化化学,是化学领域的"圣杯"。”会议执行主席、中科院院士包信和介绍,催化过程的核心和关键是对化学反应进行选择和调控。
近年来,纳米层次上对材料特性的研究结果显示,当粒子尺寸减小时,催化剂表面会产生更多的活化中心,据此可以调变体系的催化反应性能。因此,纳米材料的催化性能一直是纳米材料领域的研究热点和难点。
同时,在化学工业领域,提高催化剂分离、回收和再生技术能大幅度节约成本,实现绿色生产技术。此次香山会议上,专家表示,现有条件下,催化剂特别是含有贵金属的催化剂往往难以分离,易导致浪费和环境污染。
作为催化剂用户,中国石化石油化工科学研究院研究员杨克勇对《中国科学报》记者表示,他们希望催化剂性能高、便宜、好回收。“在实际生产中,我们发现,催化剂只要一带磁性,便容易分离,其活化性也变高了。”
磁性迈进纳米新时代
随着纳米科技的发展,合成任意尺寸和形貌的纳米结构渐渐变为可能,这使磁性纳米材料变成一类重要的功能材料。
会议执行主席、中国科学院院士都有为认为:“磁性纳米材料有着迷人的风采,在纳米材料中占据不可或缺的重要地位。”
过去十多年中,磁性纳米材料的合成取得了快速发展。2000年,时任美国IBM公司研发科学家的孙守恒,采用液相合成方法,获得了铁铂纳米颗粒。
很多科学家以此为起点,开展了大量有关磁性纳米材料的工作。迄今为止,孙守恒在美国《科学》杂志上发表的论文引用次数达到3000多次。
如今,磁性纳米材料已在各领域得到广泛应用,包括化学、物理、材料、生物医学等方面。
给力能源制备
侯仰龙认为,在磁学和化学领域科学家的通力合作下,磁性纳米材料一定能在催化领域有所作为。“磁性来源于原子的自旋特性,而调控自旋可能影响材料的表面态,进而可调变其催化性能。”他说。
他的团队研究合成了一种新的铁基磁性纳米材料,并发现它在能源催化上的神奇作用。
普通的碳化铁因其高磁饱和强度和高稳定性的特点,已经被应用于生产生活中。从前的研究显示,在纳米尺度下,碳化铁还具有超顺磁性、超高催化活性的特点。
但是,现有碳化铁纳米颗粒制备方法烦琐,常常采用成本高、形貌难以控制、操作复杂的高温固相反应和激光热分解等技术。
经过多次尝试,侯仰龙团队利用简单的方法首次在相对温和的条件下,制备出了形貌可控的碳化铁纳米颗粒。
他们发现,在我国能源战略中占据非常重要地位的“煤间接液化费托合成”中,这种磁性纳米颗粒初始的反应活性是传统铁基催化剂的两倍。
这一发现不仅能解决化学上的问题,还能推动能源催化科技发展。
《中国科学报》 (2012-10-13 A1 要闻)