电场和磁场对催化剂制备过程的影响电场和磁场对催化剂制备过程的影响(北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室,北京100029)叶燕慧李保山摘要:综述了近年来电场和磁场在催化剂制备中的影响。从催化剂的成核和长大过程分析了电场和磁场的加入对催化剂形成过程的影响,系统解释了电场和磁场处理与晶粒细化效果、催化活性之间的关系和规律。关键词:催化化学;电场;磁场;催化剂制备:O643.36;TQ426.6文献标识码:A:1008-1143(2008)10-0001-0从20世纪90年代起,电场、磁场、振动(超声振动和机械振动)和重力场(微重力场和超重力场)等外场技术成为催化剂制备领域研究的新热点。随着外场技术的研究与深入,引发了一系列常规材料形成过程中不可能出现的新现象和新规律,对发展新型催化剂和改进传统催化剂有重要的科学和工程意义。外场技术通过控制催化材料的制备过程提高催化剂的综合性能,具有巨大的潜力与广阔的应用前景。本文探讨电场和磁场对催化剂制备过程中的影响机理。1电场对催化剂扩散成核过程的影响电场能及焦耳热是电致迁移和相变扩散的主要因素,在电场作用下,材料的扩散动力学行为及扩散系数和激活能都发生了变化,其扩散系数D随温度的升高而提高,从而使反应更易进行。外加电场能促进反应物粒子的固相扩散和形核长大,并最终影响合成产物的物相组成和颗粒尺寸。随着外加电流强度的增加,合成产物的颗粒平均尺寸发生不同程度的减小。颗粒平均尺寸的大小取决于产物晶粒的形核和长大。由于快速加热的作用和形核势垒在电流作用下的降低,物相的形核率显著提高。外加电流对晶粒形核起促进作用,并对随后的长大起抑制作用,使晶粒的临界尺寸减小。随着外加电流的增大,焦耳热的增加导致长大速率的加快和形核速率的提高,两者作用趋于平衡,从而导致晶粒细化的趋势将会经历一个极限值,即晶粒尺寸保持不变。电场热处理工艺是特殊的材料制备工艺,在电场和高温条件的共同作用下,材料的显微结构将会产生独特的变化,周锋等利用电场热处理工艺在石英玻璃表面制备出一层Li+和Sb3+掺杂的TiO2光催化薄膜,采用XRD和AFM等测试手段分析了Li+和Sb3+掺杂的TiO2薄膜在电场热处理过程中的晶化行为,理论分析了外电场对TiO2薄膜热处理过程的影响。结果表明,外电场的引入,促进了Li+和Sb3+掺杂的TiO2薄膜从锐钛矿到金红石的相转变,同时得到的薄膜表面比较平整,粗糙度降低,通过甲基橙水溶液的光催化降解实验表明,400℃电场热处理的TiO2薄膜的光催化效率远高于未引入电场热处理的TiO2薄膜。王峰等把外加电场作为环境因素,引入到均匀溶液中用化学沉降法制备硫化镉颗粒。用XRD考察了电场对化学沉降法制备的硫化镉纳米颗粒的物相结构的影响,用TEM观察到外加电场显著影响纳米颗粒的结构形貌,研究表明,外加静电场是能够影响纳米颗粒在溶液中生长的新手段。2磁场对化学反应和晶体形貌的影响磁场像电流、光照和辐射一样,是一种物理因子。磁动力化学(又称磁场化学)主要研究磁场对化学反应的作用。近年来,磁场对化学反应的影响受到人们的广泛关注,从理论和应用等方面进行了广泛研究,结果发现,磁场能有效控制某些反应的速率,改变某些反应的结构,影响某些反应的历程。2.1磁场影响化学反应的理论基础由经典电磁理论,磁场会对运动的化学粒子产生洛仑兹力,仅从能量看,磁场提供的能量较热运动的能量,不足以影响化学反应。但量子力学认为,化学反应还取决于化学粒子的电子自旋,磁场会影响化学反应粒子未成对电子的自旋状态,改变反应体系的熵,从而影响化学反应的进程和结果。磁场对化学反应影响是量子力学效应和磁流体力学效应之一或共同作用的结果。化学反应的阿累尼乌斯公式:k=A·e-△E/RT,磁场会对因子A产生影响,但随外场变化复杂。物质体系的磁性又分为顺磁、抗磁、铁磁和亚铁磁等多种,不同磁性种类的物质磁化率也不相同,因此,针对不同的体系,磁场对化学反应的影响效果差别较大。2.2磁场对晶体形态的影响晶体合成机理主要分为成核机理和晶核生长机理。成核过程就是晶化诱导过程,是晶体结构基本单元的形成过程。成核过程对晶化速率和晶体粒度大小非常关键。晶核生长实质是晶核不断长大的过程,随着晶核的自发生长,晶粒度逐步增大,最终形成晶...