碳纳米管作为催化剂载体

1. 金属催化剂载体的优势

高分散性：纳米级管状结构提供丰富的表面位点，可均匀负载金属纳米颗粒（如 Pt、Pd、Au 等），抑制颗粒团聚，提升催化活性。

电子传导增强：碳纳米管的导电性可加速金属活性中心与反应物之间的电子传递，优化催化反应动力学。

化学稳定性：耐酸碱腐蚀，适合高温、强氧化等苛刻反应条件。

2. 典型应用场景

燃料电池氧还原反应（ORR）

案例：Pt/CNTs 催化剂在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中表现出更高的 ORR 活性，铂负载量可降低 50% 以上（传统 Pt/C 催化剂中铂易团聚失活）。

机制：碳纳米管的缺陷位点（如边缘碳原子）可调节铂的电子结构，降低反应过电位。

水煤气变换反应（WGS）

应用：负载 Cu/ZnO/Al₂O₃的 CNTs 催化剂用于合成气制氢，高温下稳定性优于传统活性炭载体，CO 转化率提升 10%-15%。

有机加氢反应

案例：Pd/CNTs 催化硝基苯加氢制苯胺，选择性达 99% 以上，且催化剂循环使用 10 次后活性无明显下降（传统 Pd/C 催化剂因积碳失活更快）。

二、碳纳米管作为非金属催化剂

1. 缺陷工程与催化活性

本质：碳纳米管表面的拓扑缺陷（如五元环、七元环）或掺杂原子（N、P、B 等）可形成类金属活性位点，直接催化反应。

典型改性方法：

氮掺杂（N-CNTs）：通过氨气氛高温处理，引入吡啶氮、吡咯氮等，增强对氧分子的吸附能力。

边缘官能化：酸化处理生成羧基、羟基，调节表面极性，适配不同反应体系。

2. 无金属催化应用

氧还原反应（ORR）

性能：N-CNTs 在碱性条件下的 ORR 半波电位可达 0.82V（vs. RHE），接近商业 Pt/C（0.85V），且抗甲醇中毒能力更强，适用于直接甲醇燃料电池（DMFC）。

二氧化碳还原（CO₂RR）

机制：N-CNTs 的缺陷位点可活化 CO₂分子，在电催化条件下生成 CO 的法拉第效率达 90% 以上，产物选择性高于传统碳材料。

污染物降解

光催化：N-CNTs 与 TiO₂复合后，可见光吸收范围扩展，催化降解有机染料（如亚甲基蓝）的速率提升 3 倍，归因于碳纳米管的光生电子转移能力。

三、碳纳米管在电催化与光催化中的应用

1. 电催化领域

析氢反应（HER）

案例：MoS₂/CNTs 复合材料作为 HER 催化剂，在酸性条件下的过电位为 120mV（10mA/cm²），塔菲尔斜率 45mV/dec，性能优于纯 MoS₂（过电位 180mV）。

优势：碳纳米管的导电网络加速电子传输，同时为 MoS₂提供柔性支撑，抑制层状结构堆叠。

尿素电解

应用：Ni-N-CNTs 催化剂用于尿素氧化反应（UOR），在 1.4V 电压下电流密度达 100mA/cm²，同时实现废水处理与氢能生产。

2. 光催化领域

水分解制氢

体系：g-C₃N₄/CNTs 异质结光催化剂，可见光下 H₂生成速率达 2.3mmol/g・h（纯 g-C₃N₄为 0.8mmol/g・h），碳纳米管作为电子 “高速公路” 减少载流子复合。

有机污染物矿化

机制：CNTs 吸附有机分子（如苯酚）并传递至光催化剂（如 ZnO）表面，协同光生空穴实现深度氧化，矿化率可达 95% 以上。

四、碳纳米管在环境催化中的应用

1. 挥发性有机物（VOCs）降解

催化剂：MnO₂/CNTs 复合催化剂在 200℃下对甲苯的催化燃烧转化率达 90%，优于传统 MnO₂/Al₂O₃（转化率 75%），碳纳米管的导热性提升反应均匀性。

2. 汽车尾气净化

三元催化器改良：将 CNTs 掺入 Pt-Pd-Rh/γ-Al₂O₃催化剂中，高温下（800℃）贵金属颗粒烧结程度降低，CO 和 NOx 的转化率在 10 万公里行驶后仍保持 85% 以上。