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催化剂的工作原理和应用

【摘要】:原则上,好的催化剂在参与的反应过程中不会消耗,或者在直接参与反应后被释放出来,或者作为反应物的吸附剂,降低反应物的化学势。因此,化学反应只需要很少量的催化剂,以至于通常将贵金属与其他便宜的化合物制成合金。催化剂的一个缺点是相对脆弱。当有反应物侵蚀或者反应物中出现杂质时,都可能使催化剂发生改变或被惰化,我们称为中毒。

我们仍需提及迄今为止还未剖析的非常重要的基本要点。在解释燃烧过程之初,我们提到,需提供额外能量才能越过反应的“活化壁垒”。燃料电池各反应物气室彼此隔离,既没有氢气自发分解产生的质子和电子,也没有氧气的自发分解;除非化学平衡发生偏移,化学势促成电子交换,才会有极少量气体发生分解。而当需要一点或稍多一些电量时,几乎不可能产生这样的条件。因此,通过降低反应的“活化壁垒”,增加反应动力,另辟蹊径促成氧化还原反应,是激发这种分解反应必不可少的手段。这种称为“催化剂”的化合物,其作用是能使激发化学反应所需的能量(每摩尔)低于没有这种物质参加时的反应启动能量。

像钯和铂等贵金属是氢氧化反应最好的催化剂。这些贵金属的原材料十分稀有,而且昂贵(源于对它们不断增长的、几近无尽的追逐)。当然,与非贵金属的催化剂相比,贵金属的突出优势是在面对腐蚀环境时性能超常稳定。原则上,好的催化剂在参与的反应过程中不会消耗,或者在直接参与反应后被释放出来,或者作为反应物的吸附剂,降低反应物的化学势。因此,化学反应只需要很少量的催化剂,以至于通常将贵金属与其他便宜的化合物制成合金。

氧的还原反应也是以铂作为催化剂,或者单独使用,或者与金属氧化物载体或碳组合使用。通过减小聚在电极表面的每个催化剂尺寸,尤其是达到纳米级,有助于改善催化剂的效能,自然地也会降低催化剂的使用量。

催化剂的一个缺点是相对脆弱。当有反应物侵蚀或者反应物中出现杂质时,都可能使催化剂发生改变或被惰化,我们称为中毒。显而易见,当使用化石燃料时,一氧化碳、硫化物和氧化氮等都是很难对付的毒剂,会造成诸多问题。不过,电解储能不会出现这种情况,因为储能用氢来自电解反应,化学纯度高,无杂质。

碱性燃料电池因其可用银、镍、氧化锰,以及其他几种非贵金属做催化剂,价格低,而受到关注。至于铂,可以制成纳米颗粒聚在碳酸盐载体上,或其他不同的氧化物载体上,而且它们还具有引人注目的特质,不像其他催化剂那样对毒剂和杂质那么敏感。