纳米硅藻土作为催化剂载体的研究进展

齐维维（辽宁博士科技有限公司，辽宁 沈阳 110001）

纳米硅藻土作为催化剂载体的研究进展

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硅藻土是一种生物成因的沉积岩类矿产资源，具有多孔、质轻、吸附能力强、比表面积大、化学稳定性好等一系列优异性能，广泛应用于助滤剂、吸附剂、催化剂载体和功能填料。

硅藻土；提纯；负载量；孔径

东北地区是我国高品质硅藻土的重要产地，主导产品为水泥混合材料、保温材料和低档助滤剂等低附加值产品及少量高附加值的功能填料、钒催化剂载体等，其中保温材料占60%以上。

1 国内外研究进展

硅藻土原矿中伴生有大量有机质和黏土类矿物，主要包括Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO等。这些杂质固结在硅藻壳外壁或填充在孔隙中，只有经过疏通孔道、提纯成分才能进一步加以利用。2006年中国矿业大学郑水林教授研究了酸浸和焙烧提纯硅藻土的工艺，发现72%浓度的硫酸处理方可使硅藻土中难以去除的Fe2O3含量显著下降[1]。目前，我国硅藻土的提纯加工使用强酸处理工艺，难以满足环境保护的要求。在提纯方面我国研究往往集中于如何使原土质量达到助滤剂原土标准，对硅藻土表面的极性特征以及分子耦联表面的反应性、功能活性分子或纳米材料的负载等则研究远远不够。新型催化剂材料开发和纳米尺度负载技术研究是进一步拓宽硅藻土作为载体应用的关键。随着催化剂尺度的降低，需要高比表面积的硅藻土以提高催化剂的负载量。

2009年日本东北大学科学家Hirotaka Maeda报道了利用水热处理硅藻土用于吸附和释放水蒸汽[2]，在此基础上，日本应用硅藻土多孔吸湿和放湿的功能研制出轻质装饰涂料和调湿功能建材。冀志江等人对比分析了硅藻土、沸石、海泡石等矿物材料的调湿性能，发现未经改性的硅藻土只能在大湿度范围内才能发挥吸湿性能[3]。近年来，以硅藻土为原料制备多孔陶瓷的研究在国际上也得到大量关注，解决的主要问题是高温烧结增加强度与降低比表面积之间的矛盾。2010年瑞典学者F. Akhtar研究了烧结工艺对硅藻土基多孔材料结构的影响，发现1000℃下烧结得到的多孔陶瓷具有较好的抗压强度，更高的温度下得到的陶瓷有孔隙被堵塞的可能。采用低温成型工艺使硅藻土基多孔陶瓷保持较高的比表面积和足够的强度将是未来研究的热点领域。

2 硅藻土高附加值产品应用技术难点

硅藻土材料独特的三维纳米孔道，使其可以随不同季节及环境湿度、温度的变化，自动吸收和释放水分。以硅藻土为主要原料，通过添加相应的功能活性成分还能制得性能优良的建筑材料。当环境湿度高于体表舒适湿度时，硅藻土材料可以吸收空气中水蒸汽，从而降低人体周围环境湿度；而当空气干燥时，材料可以自动释放内部水分，最终达到调节人体周围湿度平衡、调节呼吸循环以及明显改善人居环境的应用效果。

2.1 硅藻土的低成本分离提纯与孔径控制技术

提纯是硅藻土由简单矿物向功能性材料转变以提高附加值的关键一步。运用多种材料分析测试手段研究硅藻土东北产区硅藻土原矿特性，通过干法风选分级技术实现低品位硅藻土的杂相分离。目前硅藻土提纯主要采用酸浸或物理沉降法，尽管有一定的提纯效率，但设备腐蚀和环境污染现象严重。后期方向是研究利用高活性等离子体预处理实现低温去除表面有机物，同时提高杂质成分活性，从而可以选择环境友好的弱酸碱浸出工艺，最终确定面向不同产品的最佳工艺流程和参数。

2.2 通过增强硅藻土粉体孔隙提高比表面积的技术

高比表面积和孔隙率是硅藻土负载具有特定功能活性载体的关键。圆盘状硅藻土的孔径较大，孔径分布不够合理，而且烧结工艺只能通过除去圆盘状硅藻土孔径中的残余有机物提高比表面积，效果非常有限。需要运用材料设计的理论改善硅藻土的孔径分布、提高比表面积。后期方向是通过控制带有特定官能团的表面活性剂在硅藻土表面的吸附与在纳米孔内的扩散之间的平衡，实现在纳米尺度内对硅藻土孔壁的选择性刻蚀，使硅藻土形成从纳米孔到微米孔的多层级孔结构。

2.3 改性硅藻土表面修饰及均匀负载纳米催化剂技术

应用选择性刻蚀技术处理后圆盘状硅藻土孔隙率和比表面积大大提高、孔结构更为丰富，是纳米催化剂材料的理想载体。但是由于煅烧过程中硅藻土表面极性的降低，难以均匀负载纳米催化剂。后期重点实现以硅藻土纳米孔隙为微型反应器在其表面原位合成贵金属和氧化物催化剂材料，以解决硅藻土表面均匀负载难题。

3 硅藻土高附加值产品应用发展方向

目前利用硅藻土的纳米效应制备室内环保建材应用较多的国家是日本，我国在此方面起步较晚，迄今基本处于实验室研究阶段。随着人们对家居环境要求的日益提高，湿度是人们越来越关心的人居环境指标；而且伴随室内装修以甲醛为代表的有害气体已经严重影响到人们的日常生活，成为广泛关注的社会问题，因此，我国有关硅藻土的研究已经成为一个材料研究领域的热点之一。

[1]郑水林，王利剑，舒锋，陈俊涛.酸浸和焙烧对硅藻土性能的影响.硅酸盐学报，2006，11(11):1382-1386.

[2]H.Maeda,S.Kato,E.H.Ishida.Materials from diatoma⁃ceous earth for moisture control application.Int.J.Appl.Ceram.Te⁃chol.,2009,6:431-436.

[3]冀志江，王静，候国艳，张连松.多孔结构无机材料比表面积和孔径分布对调湿性能的影响.岩石矿物学杂志，2009，28: 653.