高中化學(xué) 神奇的催化劑素材 蘇教版必修1

1、神奇的催化劑氧化鈦是一種光催化劑，它具有超群的防污、除臭、抗菌、殺菌、凈化水質(zhì)和大氣、分解污物和有害化學(xué)物質(zhì)等許多功能，是保護生態(tài)環(huán)境的一種有效技術(shù)手段。氧化鈦作為一種白色染料，對于人們來說也許并不陌生，但它作為一種功能神奇的光催化劑為人們所認(rèn)識，還是多年前的事情。發(fā)現(xiàn)氧化鈦在陽光（紫外線）照射下具有強大的分解能力，并把它開發(fā)成為一種光催化劑的是日本東京大學(xué)的藤島昭教授。年，剛剛考上大學(xué)研究生的藤島昭在副教授本多健一的指導(dǎo)下進(jìn)行一項實驗。當(dāng)他把二氧化鈦和白金分別作為電極放在水中，經(jīng)太陽照射，突然他發(fā)現(xiàn)從水中冒出了氣泡。經(jīng)過分析，研究人員確認(rèn)兩端電極分別產(chǎn)生了氧氣和氫氣。這一現(xiàn)象后來被稱為“藤島

2、本多效應(yīng)”。年代發(fā)生“石油危機”后，藤島原本想利用這個反應(yīng)制造清潔能源氫和氧，但是如此生成氫氧的效率實在是太低。使用氧化鈦生產(chǎn)能源的研究因此而陷于中斷。但藤島在研究過程中還發(fā)現(xiàn)，氧化鈦經(jīng)太陽光（紫外線）照射，能夠產(chǎn)生極其強大的氧化分解作用。于是年代以后，他轉(zhuǎn)而集中精力研究開發(fā)氧化鈦的氧化分解能力及其用途。目前，氧化鈦這種神奇的光催化劑已經(jīng)引起了人們的高度重視。日本許多企業(yè)也認(rèn)識到了光催化劑的工業(yè)應(yīng)用前景，積極涉足這一新技術(shù)領(lǐng)域。各廠家應(yīng)用各自的技術(shù)，把氧化鈦制成粉末、溶液、凝膠體、泥漿狀、涂料、顆粒、薄膜等各種形態(tài)的材料，開發(fā)出各種環(huán)保產(chǎn)品，如抗菌瓷磚、防污建材以及水質(zhì)凈化、食品保鮮等器具，并

3、且還應(yīng)用它的超防水性和超親水性研究開發(fā)成功了防霧玻璃、防霧樹脂等。此外，科學(xué)家們還在研究用它治療癌癥、制作印刷版等方面的技術(shù)。在藤島昭教授的倡議下，日本成立了光功能材料研究會，從年起每年召開一次關(guān)于光催化劑的學(xué)術(shù)研討會和新產(chǎn)品展示會。今年月日，第七屆光催化劑學(xué)術(shù)研討會和展示會在東京大學(xué)舉行，包括中國在內(nèi)的各國專家學(xué)者約人與會，會上發(fā)表論文篇，展出新產(chǎn)品件。其中，經(jīng)過光催化劑處理（貼一層氧化鈦薄膜）的樹脂板，可作為建筑材料，它具有自我凈化能力，能夠清除煙、塵等污物，長期保持清潔；內(nèi)部使用涂覆了光催化劑的玻璃纖維的農(nóng)產(chǎn)品保鮮裝置，放在冷藏倉庫中，可清除農(nóng)作物釋放的乙烯氣體及其它臭氣，抑制農(nóng)作物鮮度

4、的下降；可在各種材料表面制作的光干涉彩色薄膜，能有效分解有機物、清除污垢、消臭、抗菌，可應(yīng)用在建筑、醫(yī)療器械、護理用具、廚房餐具、鏡子及過濾器等光學(xué)儀器上；使用燒結(jié)方法，用氧化鈦和陶瓷制作的陶瓷光催化劑構(gòu)成脫臭部的豎立式光脫臭機，能夠產(chǎn)生新鮮的空氣，適用于造紙、食品加工以及醫(yī)院、養(yǎng)老院等各種工廠和公共設(shè)施；使用光催化劑過濾器的“防污活性用光催化劑評估儀”，能夠以少量的光源和比較短的時間測定光催化劑清除苯等有害化學(xué)物質(zhì)的效果。此外，展品中還包括利用光催化劑制成的有除臭、殺菌等作用的家庭用空氣凈化器；有助于防止“新居綜合癥”的光催化劑窗簾；利用照明用可視光源除臭的燈罩等。專家認(rèn)為，隨著對氧化鈦研究

5、的進(jìn)一步加深，在世紀(jì)，這種神奇的光催化劑很可能成長為市場規(guī)模達(dá)數(shù)百億美元的新材料產(chǎn)業(yè)。生物的生存每時每刻都要進(jìn)行一系列的化學(xué)變化，這些變化總稱為新陳代謝。雖然生物體內(nèi)化學(xué)變化十分復(fù)雜，但它們都在常溫常壓下完成。比如有種叫根瘤菌的細(xì)菌在常溫常壓下就能把空氣中的氮氣固定下來，而人類要做到這一點卻必須用幾千個大氣壓和幾百度的溫度。 生物體為什么有這種本領(lǐng)呢？原來，生物體內(nèi)廣泛地存在一類特殊的催化劑酶。它能有效地降低參加化學(xué)反應(yīng)的各個分子的活化能，使生物體能夠快速而高效地完成各種化學(xué)反應(yīng)。植物的光合作用，人對食物的消化、吸收等無一不是在酶直接參與下發(fā)生和完成的。遠(yuǎn)在4000多年前，我國勞動人民就已用糧

6、食、水果發(fā)酵釀酒，在周朝就知道用麥芽糖酶催化淀粉水解來制取麥芽糖，春秋戰(zhàn)國時已能利用曲來治療消化不良癥。近代，對酶的科學(xué)研究開始于18世紀(jì)。1752年，意大利科學(xué)家斯巴蘭讓尼首先發(fā)現(xiàn)老鷹的黃色胃液中有一種能分解食物的物質(zhì)。1777年，蘇格蘭醫(yī)生史蒂文斯用導(dǎo)管插入哺乳類動物胃里，抽出胃液，發(fā)現(xiàn)它對食物有分解作用。1834年，德國科學(xué)家施旺用氯化汞和動物胃液作用，得到一些白色沉淀，把汞除去后，發(fā)現(xiàn)剩余物質(zhì)分解食物的能力竟比胃液還強。不久，潛力科學(xué)家佩恩和佩爾索發(fā)現(xiàn)從麥芽里提取的物質(zhì)竟能迅速地把淀粉水解成糖。到1878年，德國化學(xué)家屈內(nèi)把這一系列從有機體中分泌出來有催化能力的物質(zhì)稱之為“酶”。當(dāng)時，

7、人們認(rèn)為酶有兩種：一種是由無機物組成的；叫無機酶；另一種在生物體內(nèi)才有催化作用的，叫有機酶。這實際上是活力論在生物化學(xué)上的翻版。1897年，德國化學(xué)家畢希納做了一個著名實驗；用砂輪把活的酵母細(xì)胞加水磨成粉末，過濾后濾液還能起發(fā)酵作用，從而推翻上述的說法，獲得1907年諾貝爾獎。1925年，美國奈爾大學(xué)獨臂青年化學(xué)家薩姆納不顧體殘病弱，提純出了酶，并證明這是蛋白質(zhì)。接著，美國化學(xué)家諾思譜雙把一系列酶提純出來，證明它們都是蛋白質(zhì)。他倆因而共同獲得了諾貝爾獎。從此，幾十年來科學(xué)家公認(rèn)酶的成分是蛋白質(zhì)。1982年，美國化學(xué)家切赫和奧特曼破天荒地發(fā)現(xiàn)非蛋白質(zhì)酶核酸，它也可以充當(dāng)生物催化劑。切赫和奧特曼的

8、發(fā)現(xiàn)打破了生物催化劑中只有蛋白質(zhì)一家的傳統(tǒng)觀念，給今后生命的人工合成提供了一個重要的信息。將來生物催化劑除蛋白質(zhì)、核酸外，還可能有其他形形色色的催化劑。尤為重要的是，切赫和奧特曼的發(fā)現(xiàn)給生命的起源和演變提供一個新的線索。人們可以想象，在地球原始海洋中，當(dāng)形成核酸后，它就可能催化自身變化。由于切赫和奧特曼的發(fā)現(xiàn)為生命起源的研究開辟了一條新航道，因而，他獲得1983年的諾貝爾獎。到此，為獎勵研究酶的組成，已三次頒發(fā)諾貝爾獎。由于酶有驚人的催化能力，它的發(fā)現(xiàn)無論在理論上和應(yīng)用上都有重大的意義。據(jù)統(tǒng)計，至今已發(fā)現(xiàn)2000多種酶，其中被提純并結(jié)晶的有100多種，作為商品生產(chǎn)的有120多種，應(yīng)用到工廠中的

9、就有60多種。它們在食品、醫(yī)藥、制革等數(shù)十個行業(yè)上發(fā)揮著巨大的作用。說起催化劑，人們似乎有些生疏。其實，幾千年來人們用來發(fā)面或釀酒的酵母就是一類叫做酶的生物催化劑。大家都知道，化肥的主要成分?氨是由氫原子和氮原子所組成。當(dāng)把氫氣和氮氣混合在一起時，不管用多高的溫度、多大的壓力，即使經(jīng)歷很長很長的時間，它們也不會變出多少氨來。但是，一旦在一定條件下與一種以鐵為主要成分的催化劑接觸后，它們很快就會合成氨了。這類能使反應(yīng)速度成千上萬倍 石油煉制與化工生產(chǎn)過程中所用催化劑的種類繁多，它們大多為固態(tài)，也有的是液態(tài)或氣態(tài)。它們的共同要求是具有較高的活性、較好的選擇性和較持久的穩(wěn)定性。作為催化劑首先必須要有

10、較高的活性，也就是說要能最大限度地提高所需要的反應(yīng)的速度，希望能在幾分鐘內(nèi)，甚至幾秒鐘內(nèi)完成反應(yīng)。對于同樣的反應(yīng)原料，它們之間可能發(fā)生若干種不同的反應(yīng)，而人們往往只要求加速其中某幾種反應(yīng)，對其他所謂副反應(yīng)則不希望加速，這就是要求催化劑具有較高的選擇性，以取得盡可能多的目的產(chǎn)物。再者，催化劑耗費是產(chǎn)品成本中很重要的一項，有些以鉑、鈀等貴金屬為原料的催化劑則更加昂貴，所以就要求催化劑的性能穩(wěn)定，壽命盡可能的長一些，那樣不僅可以降低成本，還可避免因頻繁更換催化劑而浪費時間。催化劑的種類很多，主要包括金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、金屬硫化物催化劑、固體酸催化劑、金屬有機化合物催化劑等等。在石油煉制與化工生產(chǎn)過程中所用的催化劑的成分往往并不是單一的，而是由載體、活性