催化剂载体又名担体，是负载型催化剂的组成之一。催化活性组分担载在载体表面上，载体主要用于支持活性组分，使催化剂具有特定的物理性状，而载体本身一般并不具有催化活性。常见的催化载体有氧化铝、活性炭等。

图1 活性氧化铝

一般而言，优良的催化剂要求严格，其性能要求及解释如表1所示。

表1 优良催化剂的性能要求及其解释

传统的催化剂载体如氧化铝、氧化硅等氧化物，具有制备简单，原料易于获取，高比面积等优点。但在一些苛刻的反应条件下，例如高温、高压、原料中混有杂质时，将导致催化剂的活性较低、寿命减短。

图2 惰性氧化铝多孔瓷环化工陶瓷填料催化剂载体

氧化铝材料微孔分布均匀，孔径大小适宜，价格低廉，工业用催化剂载体占据70％（图片来源：中国建材网）

1905年，法国化学家莫桑博士在陨石坑中首次发现碳化硅。此后，这个来自宇宙空间的天外来客在研究人员的潜精研思下，不断被应用于各种新领域。碳化硅化学性质稳定、导热系数高、强度高的特性，使之有望成为苛刻反应条件下催化剂载体的不二之选。

图3 莫桑石，其化学成分为碳化硅，被誉为比钻石还亮的“钻石”（图片来源：搜狐网）

美中不足的碳化硅催化载体

为了进一步了解碳化硅作为催化剂载体的优势，将其与常见催化剂载体氧化铝、活性炭的优缺点整理列表2。

表2 氧化铝、活性炭和碳化硅作为催化剂载体优缺点比较

导热性方面，传统氧化物催化剂载体如氧化铝、二氧化硅的导热性都比较差，氧化铝的导热率26~40W/(m·K)，二氧化硅的导热率仅有7.6W/(m·K)，而碳化硅的导热率高达100~200W/(m·K)。在强放热反应中，载体的导热性过差将导致反应物的热量难以传递出去，形成“热点”，导致其本身的比表面积下降甚至催化剂活性成分烧结等问题。

机械性能方面，碳化硅材料具有类似金刚石的四面体结构单元，因而具有高的机械强度和硬度。氧化铝、活性炭的不仅容易在运输过程中破碎，还可能被反应过程中的热冲击、机械冲击破坏。

化学稳定性方面，氧化铝、活性炭的化学性质活泼，易于和活性成分发生相互作用，进而影响催化剂的整体性能。碳化硅材料性能稳定，耐酸耐腐蚀，例如，高比表面积的SiC即使在氢氟酸或5mol/L的硝酸中仍能保持稳定。

比表面积方面，氧化铝比表面积大于200m²/g，常规活性炭比表面积300~1000m²/g，改良的超级活性炭更是达到2000m²/g以上。高比表面积及细孔结构能保证载体表面均匀支载活性组分，为催化反应提供场所。但是对于碳化硅而言，存在美中不足，这是因为工业上通常采用Acheson法制备SiC材料，即将粉状的C和SiO₂混合，加热到2000℃以上通过碳还原法得到SiC。该方法制备的SiC为α-SiC，比表面积在0.1~1m²/g，并不适合作为催化剂载体。为了解决比表面积低的问题，目前主要有两个途径：实现高比表面积多孔SiC的制备和对现有低表面积SiC进行表面碳化以获得适合催化应用的多孔表面C层。

图4 蜂窝陶瓷催化剂载体

柴油汽车尾气微粒子陶瓷滤清器（DPF）以蜂窝式陶瓷载体材料技术为基础，以堇青石或碳化硅为原料，针对柴油发动机排放尾气中的微粒子，能发挥卓越的截留效果，广泛应用于柴油汽车、城市公共汽车，重型卡车、矿内作业车及叉车。（图片来源：中国制造网）

前景无限的碳化硅催化载体

目前，高比表面积碳化硅制备及其表面碳化的研究一直在进行，此外，其作为催化载体在更多反应的开发应用进展颇丰，使我们看到其未来的无限前景。例如，甲烷部分氧化似乎就是为碳化硅量身定做的反应。甲烷是天然气和煤层气的主要成分。氧气充足时，在点燃条件下，发生以下反应：

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O

但是，若在氧气不足条件下，发生以下反应：

2CH₄+3O₂→2CO+4H₂O

工业中，一氧化碳和氢气的混合气称为合成气，在工业中用于合成甲醇和汽油等。甲烷的部分氧化反应要在高温下进行，一般在镍为催化剂条件下加热到900℃进行。

图5 中俄东线天然气管道开工仪式（图片来源：人民网）

甲烷是天然气的主要成分，甲烷的催化氧化是天然气转化制备高附加值化工原料的重要途径。

常用的氧化铝在高温下会被镍还原，并且氧化铝存在导热性不足的问题。研究人员考察了碳化铝、氧化铝、二氧化硅、硅为载体的Ni基催化剂在甲烷部分氧化反应中的活性和稳定性。结果表明，以Si和SiO₂为载体的催化剂在30h内活性下降很快，而SiC和AL₂O₃为载体的催化剂均表现出高且稳定的活性。100h后，Ni/AL₂O₃催化剂活性明显下降，而Ni/SiC催化剂上CH₄转化率保持不变。

此外，中科院山西煤炭化学研究所的郭向云研究员发现，Ni/AL₂O₃催化剂在使用前不需要使用H₂预还原处理。一般情况下，Ni是以氧化镍的形式被负载在载体表面，反应的时候需要先用氢气把它还原成单质镍才能具有催化活性，防止氧化镍与其它物质反应。但是由于碳化硅性质稳定，与氧化镍的作用很弱，通过甲烷的还原性就将氧化镍还原为镍，这就明显减少工艺流程。

除了甲烷的部分氧化，碳化硅还被应用于低温脱硫、催化氧化、甲烷偶联、丁烷脱氢反应、直链烷烃的异构化、甲烷CO₂重整以及费托合成等。

小结

碳化硅具有许多适合作为催化剂载体的优点，如非常高的热和化学稳定性以及良好的导热性，但是在多相催化技术发展过程中，其应用实例却几乎没有。究其原因，是目前已经商业化方法生产出来的碳化硅比表面积非常低，难以满足催化剂载体材料的最低要求。不过，综合碳化硅的优良性能来说，其比表面积问题仅是白璧微瑕。

近些年来，随着各种苛刻反应环境需求的出现，研究人员已经意识到高比表面积碳化硅工业化生产迫在眉睫，目前来看，高比表面积多孔SiC的制备和对现有低表面积SiC进行表面碳化两大途径是解决问题的关键。应用场景方面，碳化硅前景无限，有望在高温、强放热、强腐蚀或其它苛刻条件下，进一步取代传统的催化剂载体。

参考文献

高比面积碳化硅制备及其作为催化剂载体的应用；中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室，郭向云，靳国强，王英勇。

By：火宣