作為第三代半導體材料中的主要代表之一，碳化硅憑借禁帶寬度大、器件極限工作溫度高、臨界擊穿電場強度大、熱導率等顯著的性能優(yōu)勢，其研究及其產(chǎn)業(yè)化一直備受關注。不論是去年底山東天岳在長沙瀏陽高新區(qū)投資30億元的國內最大半導體材料項目，還是美國科銳（Cree）在今年五月宣布總投資高達10億美元的超級工廠，碳化硅半導體產(chǎn)業(yè)風聲水起。

圖1 傳統(tǒng)的堇青石蜂窩陶瓷作為載體，一般采用擠出成形工藝，但碳化硅載體的制備成本不菲

但是，除了半導體行業(yè)之外，碳化硅作為新型催化劑載體，憑借其耐高溫、導熱性良好、機械強度高等特點，有望在部分重要化學反應中替代氧化鋁、二氧化硅為代表的傳統(tǒng)催化劑載體。既然碳化硅載體的制備成本不菲，若不是特定的極為苛刻的反應環(huán)境，誰又會使用這樣昂貴的材料呢？那么，我們來看看碳化硅催化劑載體在哪些化學反應中具有獨特優(yōu)勢吧。

硫化氫氧化反應

在工業(yè)排放廢氣中，硫化氫是一種常見的污染氣體。硫化氫具有臭雞蛋味，不僅不會設備腐化、運行條件降低，還會使環(huán)境產(chǎn)生嚴重污染。不過，硫化氫經(jīng)過處理后，可以得到硫磺，硫磺在化工、農業(yè)、醫(yī)藥等方面是珍貴的原材料，因此合理利用硫化氫，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

硫化氫的直接氧化反應化學反應式如下所示：

上述反應需要在空氣不足或溫度較低時發(fā)生，若硫化氫深度氧化，會發(fā)生如下反應：

反應結束后，S產(chǎn)物的運輸對于促進反應的進一步發(fā)生具有積極意義。

Ledoux等人采用形狀記憶法（shape memory synthesis，SMS），制備了碳化硅催化劑載體，發(fā)現(xiàn)碳化硅載體可以顯著提高反應體系的穩(wěn)定性。他們認為這是因為SMS方法制得的碳化硅基本不存在微孔，因而硫化氫不會被深度氧化為二氧化硫等副產(chǎn)物，避免了活性組分受到毒害；并且，碳化硅孔道內會形成SiOxCy親水層，這一親水層就像傳送帶一樣將硫產(chǎn)物不斷地送到孔道外地疏水表面，進而避免硫產(chǎn)物對活性組分地覆蓋。掃描電鏡表征驗證了碳化硅的親水-疏水雙功能特性。

圖2 （A）碳化硅親水-疏水雙功能特性對于硫產(chǎn)物的移除（B）掃描電子顯微鏡對于碳化硅親水-疏水特性的驗證

甲烷部分氧化反應

甲烷的部分氧化反應同樣是工業(yè)應用中非常重要的一類反應。甲烷在氧氣不足條件下，發(fā)生如下部分氧化反應：

通過甲烷部分氧化，可以得到合成氣，合成甲醇和汽油等。但是，甲烷的部分氧化反應要在高溫下進行，一般在鎳為催化劑條件下加熱到900℃進行。

假如我們需要把甲烷的90%轉化為合成氣，就需要在有催化劑（一般為鎳）的條件下把反應體系加熱到900°C。在這個溫度下，常用的催化劑載體如氧化鋁就會和鎳發(fā)生反應，使催化劑活性緩慢降低。同時由于氧化鋁不導熱，所以反應產(chǎn)生的大量熱會在催化劑中形成“熱點”，導致催化劑燒結，活性進一步降低。

針對甲烷部分氧化種催化劑載體的穩(wěn)定性問題，中科院山西煤炭化學研究所的郭向云研究員采用溶膠-凝膠法和生物模板法制備了碳化硅催化劑載體用于甲烷部分氧化反應，實驗證明，碳化硅載體化學性質穩(wěn)定，在反應條件下不會與鎳反應。而且，碳化硅導熱性好，反應產(chǎn)生的熱可迅速擴散開，避免在催化劑中形成“熱點”。

圖3 郭向云課題組采用溶膠-凝膠法制備碳化硅催化劑載體，采用酚醛樹脂和正硅酸乙酯作為前驅體

小結

總體而言，相較傳統(tǒng)氧化鋁、二氧化硅催化劑載體，碳化硅催化劑載體具有導熱性好、熱穩(wěn)定性好以及機械性能高的優(yōu)勢，在某些苛刻反應條件下，具有無可比擬的優(yōu)勢。目前，已有的研究表明，在硫化氫直接氧化成S、正丁烷直接氧化為馬來酸酐、直鏈烷烴的選擇性異構化、低鏈烷烴的脫氫、甲烷的部分氧化等反應中，均具有巨大的應用潛力。

但是，要制備比表面積足夠大的碳化硅載體，很難使用單純的擠出法，因為碳化硅實在太穩(wěn)定了，粘結劑的使用不僅會降低其表面積，在高溫下的穩(wěn)定性是否能保證又成為新的問題。

目前，實驗室中采用形狀記憶法、溶膠-凝膠法和生物模板法已經(jīng)實現(xiàn)了高比表面積碳化硅催化劑載體的制備。未來，毋庸置疑的是，隨著化學工業(yè)的發(fā)展，新的催化反應需求一定會催生新型催化劑載體的出現(xiàn)。

參考文獻

新型催化劑載體碳化硅的研究現(xiàn)狀，北京化工大學，王周君；中國科學院大連物理研究所，王周君，傅強，包信和。

By：火宣