纳米催化剂是用纳米材料制成的催化剂,与常规催化剂相比,它具有下列特点:
(1)量子尺寸效应:当颗粒尺寸小于或接近光的波长以及电子的平均自由行程时,会发生量子尺寸效应,导致电子能级、磁性、光学和热学等方面的性质变化,从而提高了催化剂的活性和选择性。
(2)表面界面效应:纳米催化剂比表面积大,吸附能力强,表面能高,表面原子数多,这些优点能够提高催化剂的活性和选择性。
(3)体积效应:纳米粒子内部存在大量的晶界和缺陷,而晶界和缺陷的存在可使原子具有高的迁移率,从而导致纳米材料的塑性和韧性很高。
(4)宏观量子隧道效应:纳米材料中的电子具有较高的贯穿本领,可以越过比较宽的势垒而发生隧道效应。
(5)介电限域效应:纳米颗粒分散在溶剂中时,由于颗粒尺寸远小于溶剂分子平均自由程,使得溶剂分子极化而产生介电限域效应。
纳米催化剂在许多化学反应中可以表现出优良的性能,其主要的效应有以下几点:
(1)活性的提高:由于纳米催化剂具有大的比表面积、高的表面能和体积效应等特性,使得其活性得到提高。例如,纳米铜催化剂在CO氧化反应中的活性比普通铜催化剂高得多。
(2)选择性的改善:纳米催化剂可以通过控制粒子的尺寸和形状来改善催化活性,同时也可以通过表面修饰来控制反应路径,从而改善催化选择性。例如,纳米FeOOH催化剂在甲烷氧化偶联反应中具有很高的选择性。
(3)稳定性的提高:由于纳米催化剂具有高的比表面积和体积效应等特性,使得其稳定性得到提高。例如,纳米贵金属催化剂在燃料电池中具有很高的稳定性。