作为第三代半导体材料中的主要代表之一，碳化硅凭借禁带宽度大、器件极限工作温度高、临界击穿电场强度大、热导率等显著的性能优势，其研究及其产业化一直备受关注。不论是去年底山东天岳在长沙浏阳高新区投资30亿元的国内最大半导体材料项目，还是美国科锐（Cree）在今年五月宣布总投资高达10亿美元的超级工厂，碳化硅半导体产业风声水起。

图1 传统的堇青石蜂窝陶瓷作为载体，一般采用挤出成形工艺，但碳化硅载体的制备成本不菲

但是，除了半导体行业之外，碳化硅作为新型催化剂载体，凭借其耐高温、导热性良好、机械强度高等特点，有望在部分重要化学反应中替代氧化铝、二氧化硅为代表的传统催化剂载体。既然碳化硅载体的制备成本不菲，若不是特定的极为苛刻的反应环境，谁又会使用这样昂贵的材料呢？那么，我们来看看碳化硅催化剂载体在哪些化学反应中具有独特优势吧。

硫化氢氧化反应

在工业排放废气中，硫化氢是一种常见的污染气体。硫化氢具有臭鸡蛋味，不仅不会设备腐化、运行条件降低，还会使环境产生严重污染。不过，硫化氢经过处理后，可以得到硫磺，硫磺在化工、农业、医药等方面是珍贵的原材料，因此合理利用硫化氢，具有十分重要的现实意义。

硫化氢的直接氧化反应化学反应式如下所示：

上述反应需要在空气不足或温度较低时发生，若硫化氢深度氧化，会发生如下反应：

反应结束后，S产物的运输对于促进反应的进一步发生具有积极意义。

Ledoux等人采用形状记忆法（shape memory synthesis，SMS），制备了碳化硅催化剂载体，发现碳化硅载体可以显著提高反应体系的稳定性。他们认为这是因为SMS方法制得的碳化硅基本不存在微孔，因而硫化氢不会被深度氧化为二氧化硫等副产物，避免了活性组分受到毒害；并且，碳化硅孔道内会形成SiOxCy亲水层，这一亲水层就像传送带一样将硫产物不断地送到孔道外地疏水表面，进而避免硫产物对活性组分地覆盖。扫描电镜表征验证了碳化硅的亲水-疏水双功能特性。

图2 （A）碳化硅亲水-疏水双功能特性对于硫产物的移除（B）扫描电子显微镜对于碳化硅亲水-疏水特性的验证

甲烷部分氧化反应

甲烷的部分氧化反应同样是工业应用中非常重要的一类反应。甲烷在氧气不足条件下，发生如下部分氧化反应：

通过甲烷部分氧化，可以得到合成气，合成甲醇和汽油等。但是，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。

假如我们需要把甲烷的90%转化为合成气，就需要在有催化剂（一般为镍）的条件下把反应体系加热到900°C。在这个温度下，常用的催化剂载体如氧化铝就会和镍发生反应，使催化剂活性缓慢降低。同时由于氧化铝不导热，所以反应产生的大量热会在催化剂中形成“热点”，导致催化剂烧结，活性进一步降低。

针对甲烷部分氧化种催化剂载体的稳定性问题，中科院山西煤炭化学研究所的郭向云研究员采用溶胶-凝胶法和生物模板法制备了碳化硅催化剂载体用于甲烷部分氧化反应，实验证明，碳化硅载体化学性质稳定，在反应条件下不会与镍反应。而且，碳化硅导热性好，反应产生的热可迅速扩散开，避免在催化剂中形成“热点”。

图3 郭向云课题组采用溶胶-凝胶法制备碳化硅催化剂载体，采用酚醛树脂和正硅酸乙酯作为前驱体

小结

总体而言，相较传统氧化铝、二氧化硅催化剂载体，碳化硅催化剂载体具有导热性好、热稳定性好以及机械性能高的优势，在某些苛刻反应条件下，具有无可比拟的优势。目前，已有的研究表明，在硫化氢直接氧化成S、正丁烷直接氧化为马来酸酐、直链烷烃的选择性异构化、低链烷烃的脱氢、甲烷的部分氧化等反应中，均具有巨大的应用潜力。

但是，要制备比表面积足够大的碳化硅载体，很难使用单纯的挤出法，因为碳化硅实在太稳定了，粘结剂的使用不仅会降低其表面积，在高温下的稳定性是否能保证又成为新的问题。

目前，实验室中采用形状记忆法、溶胶-凝胶法和生物模板法已经实现了高比表面积碳化硅催化剂载体的制备。未来，毋庸置疑的是，随着化学工业的发展，新的催化反应需求一定会催生新型催化剂载体的出现。

参考文献

新型催化剂载体碳化硅的研究现状，北京化工大学，王周君；中国科学院大连物理研究所，王周君，傅强，包信和。

By：火宣