催化劑載體又名擔體，是負載型催化劑的組成之一。催化活性組分擔載在載體表面上，載體主要用于支持活性組分，使催化劑具有特定的物理性狀，而載體本身一般并不具有催化活性。常見的催化載體有氧化鋁、活性炭等。

圖1 活性氧化鋁

一般而言，優良的催化劑要求嚴格，其性能要求及解釋如表1所示。

表1 優良催化劑的性能要求及其解釋

傳統的催化劑載體如氧化鋁、氧化硅等氧化物，具有制備簡單，原料易于獲取，高比面積等優點。但在一些苛刻的反應條件下，例如高溫、高壓、原料中混有雜質時，將導致催化劑的活性較低、壽命減短。

圖2 惰性氧化鋁多孔瓷環化工陶瓷填料催化劑載體

氧化鋁材料微孔分布均勻，孔徑大小適宜，價格低廉，工業用催化劑載體占據70％（圖片來源：中國建材網）

1905年，法國化學家莫桑博士在隕石坑中首次發現碳化硅。此后，這個來自宇宙空間的天外來客在研究人員的潛精研思下，不斷被應用于各種新領域。碳化硅化學性質穩定、導熱系數高、強度高的特性，使之有望成為苛刻反應條件下催化劑載體的不二之選。

圖3 莫桑石，其化學成分為碳化硅，被譽為比鉆石還亮的“鉆石”（圖片來源：搜狐網）

美中不足的碳化硅催化載體

為了進一步了解碳化硅作為催化劑載體的優勢，將其與常見催化劑載體氧化鋁、活性炭的優缺點整理列表2。

表2 氧化鋁、活性炭和碳化硅作為催化劑載體優缺點比較

導熱性方面，傳統氧化物催化劑載體如氧化鋁、二氧化硅的導熱性都比較差，氧化鋁的導熱率26~40W/(m·K)，二氧化硅的導熱率僅有7.6W/(m·K)，而碳化硅的導熱率高達100~200W/(m·K)。在強放熱反應中，載體的導熱性過差將導致反應物的熱量難以傳遞出去，形成“熱點”，導致其本身的比表面積下降甚至催化劑活性成分燒結等問題。

機械性能方面，碳化硅材料具有類似金剛石的四面體結構單元，因而具有高的機械強度和硬度。氧化鋁、活性炭的不僅容易在運輸過程中破碎，還可能被反應過程中的熱沖擊、機械沖擊破壞。

化學穩定性方面，氧化鋁、活性炭的化學性質活潑，易于和活性成分發生相互作用，進而影響催化劑的整體性能。碳化硅材料性能穩定，耐酸耐腐蝕，例如，高比表面積的SiC即使在氫氟酸或5mol/L的硝酸中仍能保持穩定。

比表面積方面，氧化鋁比表面積大于200m²/g，常規活性炭比表面積300~1000m²/g，改良的超級活性炭更是達到2000m²/g以上。高比表面積及細孔結構能保證載體表面均勻支載活性組分，為催化反應提供場所。但是對于碳化硅而言，存在美中不足，這是因為工業上通常采用Acheson法制備SiC材料，即將粉狀的C和SiO₂混合，加熱到2000℃以上通過碳還原法得到SiC。該方法制備的SiC為α-SiC，比表面積在0.1~1m²/g，并不適合作為催化劑載體。為了解決比表面積低的問題，目前主要有兩個途徑：實現高比表面積多孔SiC的制備和對現有低表面積SiC進行表面碳化以獲得適合催化應用的多孔表面C層。

圖4 蜂窩陶瓷催化劑載體

柴油汽車尾氣微粒子陶瓷濾清器（DPF）以蜂窩式陶瓷載體材料技術為基礎，以堇青石或碳化硅為原料，針對柴油發動機排放尾氣中的微粒子，能發揮卓越的截留效果，廣泛應用于柴油汽車、城市公共汽車，重型卡車、礦內作業車及叉車。（圖片來源：中國制造網）

前景無限的碳化硅催化載體

目前，高比表面積碳化硅制備及其表面碳化的研究一直在進行，此外，其作為催化載體在更多反應的開發應用進展頗豐，使我們看到其未來的無限前景。例如，甲烷部分氧化似乎就是為碳化硅量身定做的反應。甲烷是天然氣和煤層氣的主要成分。氧氣充足時，在點燃條件下，發生以下反應：

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O

但是，若在氧氣不足條件下，發生以下反應：

2CH₄+3O₂→2CO+4H₂O

工業中，一氧化碳和氫氣的混合氣稱為合成氣，在工業中用于合成甲醇和汽油等。甲烷的部分氧化反應要在高溫下進行，一般在鎳為催化劑條件下加熱到900℃進行。

圖5 中俄東線天然氣管道開工儀式（圖片來源：人民網）

甲烷是天然氣的主要成分，甲烷的催化氧化是天然氣轉化制備高附加值化工原料的重要途徑。

常用的氧化鋁在高溫下會被鎳還原，并且氧化鋁存在導熱性不足的問題。研究人員考察了碳化鋁、氧化鋁、二氧化硅、硅為載體的Ni基催化劑在甲烷部分氧化反應中的活性和穩定性。結果表明，以Si和SiO₂為載體的催化劑在30h內活性下降很快，而SiC和AL₂O₃為載體的催化劑均表現出高且穩定的活性。100h后，Ni/AL₂O₃催化劑活性明顯下降，而Ni/SiC催化劑上CH₄轉化率保持不變。

此外，中科院山西煤炭化學研究所的郭向云研究員發現，Ni/AL₂O₃催化劑在使用前不需要使用H₂預還原處理。一般情況下，Ni是以氧化鎳的形式被負載在載體表面，反應的時候需要先用氫氣把它還原成單質鎳才能具有催化活性，防止氧化鎳與其它物質反應。但是由于碳化硅性質穩定，與氧化鎳的作用很弱，通過甲烷的還原性就將氧化鎳還原為鎳，這就明顯減少工藝流程。

除了甲烷的部分氧化，碳化硅還被應用于低溫脫硫、催化氧化、甲烷偶聯、丁烷脫氫反應、直鏈烷烴的異構化、甲烷CO₂重整以及費托合成等。

小結

碳化硅具有許多適合作為催化劑載體的優點，如非常高的熱和化學穩定性以及良好的導熱性，但是在多相催化技術發展過程中，其應用實例卻幾乎沒有。究其原因，是目前已經商業化方法生產出來的碳化硅比表面積非常低，難以滿足催化劑載體材料的最低要求。不過，綜合碳化硅的優良性能來說，其比表面積問題僅是白璧微瑕。

近些年來，隨著各種苛刻反應環境需求的出現，研究人員已經意識到高比表面積碳化硅工業化生產迫在眉睫，目前來看，高比表面積多孔SiC的制備和對現有低表面積SiC進行表面碳化兩大途徑是解決問題的關鍵。應用場景方面，碳化硅前景無限，有望在高溫、強放熱、強腐蝕或其它苛刻條件下，進一步取代傳統的催化劑載體。

參考文獻

高比面積碳化硅制備及其作為催化劑載體的應用；中國科學院山西煤炭化學研究所煤轉化國家重點實驗室，郭向云，靳國強，王英勇。

By：火宣