催化剂的组成与功能
催化剂的作用与分类,如何制造催化剂
催化剂的作用与分类| 如何制造催化剂什么是催化剂？催化剂一般是指一种在不改变反应总标准吉布斯自由能变化的情况下提高反应速率的物质。
也可以表述为在化学反应里能提高化学反应速率而不改变化学平衡，且本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质。
催化剂的作用：催化剂的作用就是改变反应途径、降低或增加反应的活化能，能够加快或减慢化学反应的速度。
催化剂分类：催化剂种类繁多，按状态可分为液体催化剂和固体催化剂;按反应体系的相态分为均相催化剂和多相催化剂，均相催化剂有酸、碱、可溶性过渡金属化合物和过氧化物催化剂。
多相催化剂有固体酸催化剂、有机碱催化剂、金属催化剂、金属氧化物催化剂、络合物催化剂、稀土催化剂、分子筛催化剂、生物催化剂、纳米催化剂等;按照反应类型又分为聚合、缩聚、酯化、缩醛化、加氢、脱氢、氧化、还原、烷基化、异构化等催化剂;按照作用大小还分为主催化剂和助催化剂。
1.均相催化催化剂和反应物同处于一相，没有相界存在而进行的反应，称为均相催化作用，能起均相催化作用的催化剂为均相催化剂。
均相催化剂包括液体酸、碱催化剂和色可赛思固体酸和碱性催化剂、可溶性过渡金属化合物(盐类和络合物)等。
均相催化剂以分子或离子独立起作用，活性中心均一，具有高活性和高选择性。
2.多相催化多相催化剂又称非均相催化剂，用于不同相（Phase）的反应中，即和它们催化的反应物处于不同的状态。
例如：在生产人造黄油时，通过固态镍（催化剂），能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪。
固态镍是一种多相催化剂，被它催化的反应物则是液态（植物油）和气态（氢气）。
一个简易的非均相催化反应包含了反应物（或zh-ch:底物;zh-tw:受质）吸附在催化剂的表面，反应物内的键因断裂而导致新键的产生，但又因产物与催化剂间的键并不牢固，而使产物脱离反应位等过程。
现已知许多催化剂表面发生吸附、反应的不同的结构。
3.生物催化酶是生物催化剂，是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的有机物（绝大多数的蛋白质。
《工业催化》第2章催化剂与催化作用
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催化剂只能催化热力学上可行的化学反应
化学反应在给定的条件下能否进行的热力学判 据是反应的Gibbs自由焓变数值的正负关系，即仅有 当 r G 0时，反应在该条件下才是热力学上可行的 [例] 石墨和金刚石都是由碳元素组成，但化学结构 不同，是两种性质相差很大的化学物质。一般条件 下石墨很难转化为金刚石 （什么条件下石墨可以转化为 金刚石？），所以不要期望通过寻找高效催化剂在一 般条件下实现石墨向金刚石的转变 更不要指望，通过使用催化剂来实现“水变油” 或“点石成金”等不切实际的想法
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催化剂只能改变化学反应速率，而不能改变
化学平衡的位置
对于可逆反应，
k正 Kf k逆
根据微观可逆原理，假如一个催化反应是可逆 的，一种加速正反应速率的催化剂，则也应以相同 的比例加速逆反应速率，以保持Kf不变
对选择催化剂很有用。例如，由合成气合成甲醇，或 由氢、氮合气合成氨，直接研究正方向反应需要高压设 备，不方便也不经济，故早期研究中利用常压下甲醇分 解反应、氨分解反应，初步筛选相应的合成用催化剂。
常见的助催化剂
作用功能 减缓活性组分结焦，降低酸度 促进活性组分的酸度 间隔活性组分，减少烧结 促进活性组分对CO的氧化 促进载体的酸度和热稳定性 降低氢解和活性组分烧结，减少积炭 促进C-S和C-N氢解 促进MoO3的分散 促进脱焦 阻止Cu的烧结，提高活性
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助催化剂 K2 O HCl MgO
SiO2、ZrO2、P 促进载体的热稳定性
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催化作用改变反应历程意味着：
I. 催化剂参与反应物之间的化学反应； II.通过反应历程的改变使化学反应所需克服的 能垒(活化能)数值大为降低
催化剂的组成与功能
催化剂的组成取功能之阳早格格创做催化剂的组成：活性组分载体帮催化剂催化剂组分取功能闭系：一、活性组分它是催化剂的主要组分，偶尔由一种物量组成，偶尔由多种物量组成如：乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂；丙烯氨氧化制丙烯腈用的钼战铋催化剂活性组分的分类:二、载体载体是催化剂活性组分的分别剂、粘合剂战收撑物，是背载活性组分的骨架.比圆，乙烯氧化制环氧乙烷催化剂中的Ag便是背载正在“α—Al2O3上的，那里的α—Al2O 3称为载体.载体还常分为惰性载体取活性载体.庄重去道，催化剂中的组分皆没有是惰性的，皆对于主剂取帮剂有所效率，只没有过活性载体的效率更为明隐而已.载体的效率取帮催化剂的效率正在很多圆里有类似之处，分歧的是载体量大，帮催化剂量小；前者效率较慢战，后者较明隐.其余，由于载体量大，可给予催化剂以基础的物理结构取本能，如孔结构、比表面、宏瞅形状、板滞强度等.别的，对于主催化剂战帮催化剂起分别效率，更加对于贵金属既可缩小其用量，又可普及其活性，落矮催化剂成本.动做下效催化剂，活性组分取裁体的采用皆非常要害.底下是载体的分类战部分罕睹载体的种类：催化剂的活性随载体比表面的减少而减少，为赢得较下的活性，往往将活性组分背载于大比表面载体上.载体取催化剂的活性、采用性、热宁静性、板滞强度以及催化历程的传播个性有闭，果此，正在筛选战制制劣良的催化剂时，需要弄浑载体的物理本量战它的功能.催化剂组分取含量的表示要领：比圆：合成氨催化剂Fe—K2O—Al2O3用“—’将催化剂中的各组分开启：加氢脱硫催化剂Co—Mo/α—Al2O3，斜线上为主剂战帮剂，斜线下为载体.各组分的含量可用沉量％、沉量比表示，也可用本子％、本子比表示.载体的功能：提供灵验的表面战相宜的孔结构⏹巩固催化剂的板滞强度⏹革新催化剂的传导性⏹缩小活性组分的含量⏹载体提供附加的活性核心⏹活性组分取载体之间的溢流局里战强相互效率理念的催化剂载体应具备的个性能符合某一特定反应的形状；有脚够的抗破碎强度；有脚够的反应表面战符合的孔结构；有脚够的宁静性，包罗活性宁静性取热宁静性；导热、热容量及堆稀度适中；没有含使催化剂中毒的物量；本料易得，载机制备历程烦琐.三、帮催化剂定义：加进少量的某种物量，不妨隐著革新催化剂效能，包罗活性，采用性取宁静性战寿命等.它是通过改变催化剂的化教组成、化教结构、离子价态、酸碱性、晶格结构、表面结构、孔结构、分别状态、板滞强度等去普及催化剂的本能.帮催化剂的分类：（1）结构型帮催化剂（2）电子型帮催化剂：（3）晶格缺陷型帮催化剂：使活性物量晶里的本子排列无序化，删大晶格缺陷浓度去普及催化剂的催化活性.第（2）、（3）类也合称为调变性帮催化剂结构型帮催化剂：效率：普及活性组分的分别性战热宁静性.本理：能使催化活性物量粒度变小、表面积删大，预防大概延慢果烧结而落矮活性等，工业催化历程常常正在几百度的条件下举止，本本没有宁静的微晶简单烧结，果而引导催化剂的活性下落.而帮催化剂的加进不妨遏止大概减慢微晶的删少速度，进而延少催化剂的使用克日.比圆：合成氨的铁催化剂，加进少量的Al2O3电子型帮催化剂：效率：改变催化剂活性物量的结媾战化教组成，促进催化活性采用性.本理：催化剂活性组分的空d轨讲能交受帮催化剂提供的电子，改变了活性组分的电子结构，普及了催化剂的活性战采用性；大概死成新的晶相，大概者也大概爆收大概删加催化剂中晶相大概微晶间活性界里的数目.进而普及活性大概采用性.比圆：Fe－Al2O3中加进K2O罕睹帮催化剂举例：。
2、第二节催化剂的组成与功能
3、载体： 它可以起增大表面积，提高耐热性和机 械强度的作用。 将活性组分、助催化剂组分负载与载体 上所制得的催化剂，称为负载型催化剂。
载体可分为低比表面、高比表面和中比表面三 类。 比表面：物体的表面积与体积之比称为比表面 积。
催化剂的孔径分布及内部结构
4、其他 ①稳定剂 氧化铝、氧化镁、氧化锆等难还原的耐 火氧化物，通常作为一些易烧结催化组分 的细分散态的稳定剂。 ②抑制剂 如果在主催化剂中添加少量的物质，便 能使前者的催化性能适当降低，甚至在必 要时大幅度下降，则后者这种少量的物质 即称为抑制剂。
第二节 催化剂的组成与功能
一、催化剂的组成
活性组分： 化学活性
催化剂
助催化剂：对 活性组分/载 体改性
载体：高表面 积，孔结构， 机械强度等
1、活性组分： 它是催化剂的主要组成部分，催化剂的催化 活性由其体现。 组成可以使一种元素也可以是多种物质 主催化剂：起催化作用的根本性物质 共催化剂：和主催化剂同时起作用的组 分
非负载型金属催化剂 指不含载体的金 属催化剂，通常以骨架金属、金属丝网、 金属粉末、金属颗粒、金属屑片和金属蒸 发膜等形式应用。将具有催化活性的金属 和铝或硅制成合金，再用氢氧化钠溶液将 铝或硅溶解掉，形成金属骨架。典型的金 属面和适宜的孔结构。 维持组分高度分散是载体最重要的功 能之一。 2、增强催化剂的机械强度，使催化剂具有一 定的形状。 3、改善催化剂的传导性。 4、减少活性组分的分量。 5、载体提供附加的活性中心。
2、助催化剂： 是催化剂中具有提高主催化剂活性、选择性， 改善催化剂的耐热性、抗毒性、机械强度和寿命 等性能的组分。 按作用机理的不同一般区分为结构助催化剂， 电子助催化剂和晶格缺陷助催化剂。 ①结构助催化剂作用：提高活性组分的分散 性和热稳定性。 ②电子助催化剂作用：改变主催化剂的电子 结构，促进催化剂选择性。 ③晶格缺陷助催化剂作用：使活性物质晶面 的原子排列无序化，通过增大晶格缺陷浓度提高 活性。
催化剂的组成及功能
催化剂的组成及功能催化剂是一种可以加速化学反应速率的物质，但在反应结束时催化剂本身并不参与反应消耗，因此可被循环使用。
催化剂的组成及功能由其化学性质和结构决定，下面我们将详细讨论催化剂的组成和功能。
一、催化剂的组成：催化剂通常由活性位点、载体和促进剂三部分组成。
1.活性位点：活性位点是催化剂上参与反应的活性中心，其能够接受反应物，并通过中间产物形成最终产物。
活性位点通常是催化剂表面的一些原子、离子或分子团。
2.载体：催化剂的载体是催化剂活性位点的支撑结构，起到固定活性位点和提供特定反应环境的作用。
常用的载体有陶瓷、金属氧化物、活性炭等。
载体要求具有高的表面积、化学稳定性和强的吸附性能，以增加反应物与活性位点接触的机会。
3.促进剂：促进剂作用在催化剂和反应物之间，能够改变催化剂的化学性质，提高催化活性和选择性。
促进剂的添加能够增加催化剂表面的活性位点数量，改变表面酸碱性或电荷分布等，进而更好地促进反应的进行。
二、催化剂的功能：催化剂的功能是通过改变活化能降低反应速率，从而促进反应的进行。
催化剂主要有以下功能：1.提供活性位点：催化剂活性位点能有效吸附反应物，并改变反应活性络合物的能量状态。
活性位点可以通过多种方式提供，例如固体表面孤对电子、溶液中的配体以及金属中心等。
2.改变反应的速率限制步骤：催化剂能够降低反应活化能，从而加快反应速率。
当催化剂参与反应后，速率限制步骤可能发生变化，比如催化剂可以改变反应物之间的相互作用力，使反应物之间的键成为易断的，从而降低反应速率。
3.增加反应物的相互作用：催化剂通常能够尽可能地将反应物引导到活性位点上，提高反应物之间的相互作用几率，从而促进反应进行。
4.改变反应的选择性：催化剂的选择性是指在多种可能反应路径中选择最有利的路径。
通过适当选择催化剂的活性位点和载体材料，可以调节反应的选择性，从而得到更有利的产物。
5.解吸产物：催化剂能够有效解吸产物，以减少反应物与产物之间的竞争吸附，防止产物再次与反应物和催化剂发生反应，从而提高反应的转化率。
合成氨催化剂中各组分作用
合成氨催化剂是一种重要的化工催化剂，它可以在高压、高温和有氢气、氮气等物质存在的条件下，将氮气和氢气转化为氨气。
合成氨催化剂的主要成分包括铁、钴、镍、锌等金属元素和一些氧化物、硫化物等非金属元素。
下面介绍一下这些组分的作用：
- 铁元素：铁元素是合成氨催化剂中的主要活性成分，它可以在催化剂表面形成一层致密的金属氧化物膜，从而提高催化剂的催化活性和选择性。
铁元素还可以促进氮气和氢气的活化，促进反应的进行。
- 钴元素：钴元素可以促进氮气和氢气的活化，提高反应的速度和选择性。
钴元素还可以提高催化剂的抗毒性和稳定性，延长催化剂的使用寿命。
- 镍元素：镍元素可以促进氮气和氢气的活化，提高反应的速度和选择性。
镍元素还可以提高催化剂的抗毒性和稳定性，延长催化剂的使用寿命。
- 锌元素：锌元素可以促进氮气和氢气的活化，提高反应的速度和选择性。
锌元素还可以提高催化剂的抗毒性和稳定性，延长催化剂的使用寿命。
- 氧化物和硫化物：氧化物和硫化物是合成氨催化剂中的助剂，它们可以提高催化剂的催化活性和选择性。
氧化物和硫化物可以与金属元素形成一些复杂的化学键，从而提高催化剂的活性。
总之，合成氨催化剂中的各组分都有重要的作用，它们的相互作用可以提高催化剂的催化活性和选择性，从而提高合成氨的效率和质量。
催化剂的组成与功能
催化剂的组成与功能催化剂的组成：活性组分载体助催化剂催化剂组分与功能关系：一、 活性组分它是催化剂的主要组分，有时由一种物质组成，有时由多种物质组成如：乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂；丙烯氨氧化制丙烯腈用的钼和铋催化剂2%4%6%8%10%氨含量Mo的混合比Mo-Fe合金组成与活性关系活性组分的分类:二、载体载体是催化剂活性组分的分散剂、粘合剂和支撑物，是负载活性组分的骨架。
例如，乙烯氧化制环氧乙烷催化剂中的Ag就是负载在“α—Al2O3上的，这里的α—Al2O 3称为载体。
载体还常分为惰性载体与活性载体。
严格来说，催化剂中的组分都不是惰性的，都对主剂与助剂有所影响，只不过活性载体的作用更为明显而已。
载体的作用与助催化剂的作用在很多方面有类似之处，不同的是载体量大，助催化剂量小；前者作用较缓和，后者较明显。
另外，由于载体量大，可赋予催化剂以基本的物理结构与性能，如孔结构、比表面、宏观外形、机械强度等。
此外，对主催化剂和助催化剂起分散作用，尤其对贵金属既可减少其用量，又可提高其活性，降低催化剂成本。
作为高效催化剂，活性组分与裁体的选择都非常重要。
下面是载体的分类和部分常见载体的种类：催化剂的活性随载体比表面的增加而增加，为获得较高的活性，往往将活性组分负载于大比表面载体上。
载体与催化剂的活性、选择性、热稳定性、机械强度以及催化过程的传递特性有关，因此，在筛选和制造优良的催化剂时，需要弄清载体的物理性质和它的功能。
催化剂组分与含量的表示方法：例如：合成氨催化剂Fe—K2O—Al2O3用“—’将催化剂中的各组分隔开：加氢脱硫催化剂Co—Mo/α—Al2O3，斜线上为主剂和助剂，斜线下为载体。
各组分的含量可用重量％、重量比表示，也可用原子％、原子比表示。
载体的功能：⏹提供有效的表面和适宜的孔结构⏹增强催化剂的机械强度⏹改善催化剂的传导性⏹减少活性组分的含量⏹载体提供附加的活性中心⏹活性组分与载体之间的溢流现象和强相互作用理想的催化剂载体应具备的特性能适应某一特定反应的外形；有足够的抗破碎强度；有足够的反应表面和合适的孔结构；有足够的稳定性，包括活性稳定性与热稳定性；导热、热容量及堆密度适中；不含使催化剂中毒的物质；原料易得，载体制备过程简便。
第二章 催化剂和催化作用-
（4）催化剂的寿命
� 催化剂在长期受热和化学变化作用下，也会 受一些不可逆的物理的和化学的变化，如晶 相变化、晶粒分散度的变化、易挥发组分的 流失、易熔物的熔融等。
催化剂活性随时间变化曲线
工业催化剂的寿命
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.2 催化剂的组成与载体的功能
1. 催化剂组成
（1）活性组分 （2）助催化剂 （3）载体
2.1.2 催化作用特征 （1）催化剂只能加速热力学上允许的反应，而 不能加速热力学上无法进行的反应；
� 开发一种新的化学反应的催化剂时，要求首先对 反应体系进行热力学分析，看它在该条件下是否属 于热力学上的可行的反应。
（2）催化剂只能加速反应趋于平衡，而不能改变平衡 常数。
关于可逆反应
根据微观可逆原理，假如一个催化反应是可逆的， 则一个加速正反应速率的催化剂也应加速逆反应速率， 以保持K平不变（K平＝K正/K逆）。 也就是说：同样一个能加速正反应速率控制步 骤的催化剂也应该能加速逆反应速率。
反应举例
� 按固体催化剂的导电性及化学形态分类
表3-5 按固体催化剂导电性及化学形态分类 类别 导体 半导 体 绝缘 体 化学形态 催化剂举例 催化反应举例 加氢，脱氢， 氧化，氢解
过渡金属 Fe,Ni,Pd,Pt,Cu
氧化物或 V2O5,Cr2O3,MoS2,NiO,ZnO, 氧化，脱氢， 硫化物 Bi2O3 加氢，氨氧化 氧化物 盐 Al2O3,TiO2,Na2O,MgO,分 子筛，NiSO4, FeCl3 脱水，异构 化，聚合，烷 基化，脂化， 裂解
如氨合成用的Fe催化剂，通过加入少量的Al2O3。 使其活性、和寿命大大延长。原因是Al2O3与活性 Fe形成了固熔体，有效阻止了Fe的烧结。
三元催化剂的作用及原理
三元催化剂的作用及原理1. 三元催化剂的定义三元催化剂是指由三种不同金属或金属氧化物组成的复合催化剂。
这种催化剂通常具有高活性、高选择性和良好的稳定性，在许多重要的工业反应中被广泛应用。
2. 三元催化剂的作用三元催化剂在化学反应中起到催化作用，加速反应速率并提高产物的选择性。
它们可以通过吸附和解离反应物分子，调节活性位点，促进反应物之间的相互作用，提供活性中心等方式来实现这一功能。
3. 三元催化剂的原理3.1 活性位点调节活性位点是指能够吸附和解离反应物分子，并促进其发生反应的部位。
在三元催化剂中，不同金属或金属氧化物之间存在相互作用，可以调节活性位点的位置和特性。
以Pt-Sn/Al2O3为例，Pt和Sn分别是铂和锡组成的催化剂。
Pt具有较高的氧气解离能力，而Sn具有较高的氢气解离能力。
当Pt和Sn组成复合催化剂时，它们之间的相互作用可以调节活性位点的特性，使其同时具有较高的氧气和氢气解离能力。
这种调节作用可以提高催化剂在反应中的活性。
3.2 相互作用促进三元催化剂中不同金属或金属氧化物之间存在相互作用，可以促进反应物之间的相互作用，增强反应过程中的协同效应。
以Cu-Zn-Al为例，Cu、Zn和Al分别是铜、锌和铝组成的催化剂。
Cu具有较好的选择性，但活性较低；Zn具有较高的活性，但选择性较差；Al具有调节活性位点的能力。
当Cu、Zn和Al组成复合催化剂时，它们之间存在相互作用，Cu和Zn之间形成共晶相，增加了反应物在表面上的接触机会；Al通过调节活性位点，提高了催化剂在反应中的选择性。
这种相互作用促进了反应物之间的相互作用，提高了反应效率和产物选择性。
3.3 活性中心提供三元催化剂中的不同金属或金属氧化物可以提供不同类型的活性中心，进而实现对不同反应物的催化。
以Co-Mo/Al2O3为例，Co和Mo分别是钴和钼组成的催化剂。
Co具有较好的选择性，而Mo具有较高的活性。
当Co和Mo组成复合催化剂时，它们之间存在相互作用，形成了活性位点。
第三章 催化剂与催化作用_金属氧化物催化剂
4. 金属氧化物硫化物及其催化作用
概述
金属氧化物催化剂组成：常为复合氧化物(Complex oxides)，
即多组分氧化物。 VO5-MoO3，Bi2O3-MoO3，TiO2-V2O5-P2O5，V2O5MoO3-Al2O3，MoO3-Bi2O3-Fe2O3-CoO-K2O-P2O5-SiO2 （即7组分的代号为C14的第三代生产丙烯腈催化剂）。
复合氧化物催化剂的结构
（2）钙钛矿结构 这是一类化合物，其晶格结构类似于矿物CaTiO3，是可用 通式ABO3表示的氧化物。A是一个大的阳离子，B是一个 小的阳离子。在高温下钙钛矿型结构的单位晶胞为正立方 体，A位于晶胞的中心，B位于正立方体顶点。此中A的配 位数为12,B的配位数为6.
结构要求：
复合氧化物催化剂的结构
任何稳定的化合物，必须满足化学价态的平衡。当晶格中
发生高价离子取代低价离子时，就要结合高价离子和因取 代而需要的晶格阳离子空位以满足这种要求。例如Fe3O4的 Fe离子，若按γ-Fe2O3中的电价平衡，晶体中有8/3的Fe3+， 1/3的阳离子空穴。阳离子一般小于阴离子。可以书写成
组分中至少有一种是过渡金属氧化物。组分与组分之间可
能相互作用，作用的情况常因条件而异。复合氧化物系常 是多相共存，如Bi2O3-MoO3，就有α、β和γ相。有活性相 概念。它们的结构十分复杂，有固溶体，有杂多酸，有混 晶等。
概述
金属催化剂作用和功能
有的组分是主催化剂，有的为助催化剂或者载体。主催
金属硫化物催化剂及其催化剂作用
硫化物催化剂的活性相，一般是其氧化物母体先经高温
熔烧，形成所需要的结构后，再在还原气氛下硫化。硫
催化剂的作用与分类
催化剂的作用与分类催化剂是指在化学反应中加入的少量物质，通过降低反应的活化能，加速反应的速度，但其在反应结束后基本保持不变，可以反复使用。
催化剂在化学工业、环境保护等领域具有广泛应用。
本文将从催化剂的作用机理和分类两方面进行详细介绍。
催化剂通过参与反应过程中的中间步骤，降低反应的活化能，促进反应的进行。
其作用机理主要包括以下几个方面：1.提供吸附和反应活性位点：催化剂表面具有大量活性位点，可以吸附反应物分子，并在表面上形成中间过渡态。
这些活性位点的特殊结构提高了吸附反应物的能力，有利于反应物的相互作用，从而加速反应速率。
2.调整反应物的构型：催化剂表面的构型可以对反应物所需的构型进行调整，使其更易于发生反应。
例如，催化剂的金属中心可以通过吸附反应物分子调整其化学键角度，从而降低反应的活化能。
3.提供电子转移通道：催化剂可以通过向反应物提供电子或从反应物吸收电子来促进反应的进行。
这种电子转移过程可以调整反应物的反应活性，加快反应速率。
4.分离和调节反应物的分子态：催化剂可以通过吸附分子并调整其与其他分子的相互作用力，有效分离和调节反应物的分子态。
这种调节作用有助于改变反应物的构型，降低反应的活化能。
催化剂的分类催化剂可以根据其物理和化学性质的不同进行不同的分类。
以下是常见的几种分类方式：1.根据反应类型：催化剂可以根据所催化的反应类型进行分类，如催化剂可以分为氧化剂、还原剂、酸催化剂、碱催化剂、催化裂化剂等。
2.根据催化剂存在的物理相态：催化剂可以分为气相催化剂、液相催化剂和固相催化剂。
其中，固相催化剂是最常见的催化剂形式，其具有高比表面积和活性位点密度，对反应物的吸附能力较强。
3.根据催化剂的结构和成分：催化剂可以分为金属催化剂、非金属催化剂和复合催化剂。
金属催化剂主要是过渡金属元素或其化合物，具有良好的电子转移能力和催化活性。
非金属催化剂则主要是非过渡金属元素或其化合物，如硫、磷等，其催化活性与金属催化剂有所不同。
催化作用与催化剂
• 化学平衡是由热力学决定的 G0＝—RT1nKP ，
其中KP为反应的平衡常数，G0是产物与反应物 的标准自由焓之差，是状态函数，只决定于过 程的始终态，而与过程无关，催化剂的存在不 影响G0值，它只能加速达到平衡所需的时间， 而不能移动平衡点。
1901年德国物理化学家W.Ostwald提出催化剂定义:“催化剂是可 以改变化学反应的速度，但最后不出现在生成物中的物质”
1903年法国科学家P.Sabatier提出:“催化剂能引发化学反应或加 速化学反应，但本身不发生变化。
1981年IUPAC提出的定义:“催化剂是一种物质，它能够加速反 应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。这种作用称 为催化作用，涉及催化剂的反应称为催化反应。”
2024/2/16
不能改变平衡的位置的例子 乙苯脱氢制苯乙烯
催化剂不能改变平衡位置 -实例
乙苯脱氢制苯乙烯，在600℃常压、乙苯 与水蒸汽摩尔比为1：9时，按平衡常数 计算，达到平衡后苯乙烯的最大产率为 72.3％，这是平衡产率，是热力学所预示 的反应限度。为了尽可能实现此产率， 可选择良好催化剂以使反应加速。但在 反应条件下，要想用催化剂使苯乙烯产 率超过72.8％是不可能的。
2024/2/16
N2+3H2=2NH3的催化反应途径
催化作用的特征（1）
• 催化剂只能加速热力学上可以进行的反 应，而不能加速热力学上无法进行的反 应。
– 在开发一种新的化学反应的催化剂时，首先 要对该反应体系进行热力学分析，看在给定 的条件下是否属于热力学上可行的反应。
2024/2/16
催化作用的特征（2）
例如反应：
第2章 催化作用与催化剂
低于160℃
熔结
活性迅速下降
（Tm 1083℃）
Fe、Co、Ni
（Tm1527℃） Cu / 氧化铝， ● 铂粒 / 氧化铝 ， 铂黑 （dp 0.5～ 5nm） Pt Tm 1774 ℃
低于330℃
熔结
活性迅速下降
250℃
不发生明显熔结。 数年不见颗粒显著变化 一小时聚集成 50nm 微晶 六个月形成200 nm 微粒
例如： • SO2＋O2 SO3 ( V2O5)， • 无催化剂时，即使加热也几乎不生成 SO3。 • N2＋H2 NH3 (Fe催化剂)， • 若没有铁催化剂，在反应温度为400℃时， 其反应速度极慢，竞不能觉察出来，而当有 铁催化剂的存在时，就实现工业生产合成氨。
二、特征
1、只能加速热力学上可行的反应 H2(g) + ½ O2 (g) = H2O (g) △G 0298 = － 228.6 kJ/mol
甲醛 异构烃 丙烯
非过渡金 属氧化物
A型分子筛
催化反应速度和催化剂表面积成正比，希望催化剂尽 可能高的表面积。
有些催化剂可制成多孔和较高的比表面积
例：Raney Ni — 多孔和高的表面积。 2Ni-Al + 2NaOH + 2H2O 隙率的颗粒表面上。 如：Pt / Al2O3 2NaAlO2 + 3H2 + 2Ni
CO2 + H2O
具有气体分子输送的粗孔道
(2) 分类
常用载体类型
载体 比表面 （㎡/g） 比孔容 （ml/g） 载体 比表面 （㎡/g） 比孔容 （ml/g）
低比表面
刚玉 碳化硅 浮石 硅藻土 0~1 <1 0.04~1 2~30 0.33~0.45 0.4
催化剂在化学反应中的作用
催化剂在化学反应中的作用催化剂是化学反应中不可或缺的重要物质，其主要功能是加速反应过程，而自身在反应结束后仍然保持不变。
催化剂的应用范围非常广泛，从工业生产到生物化学反应，几乎都离不开催化剂的参与。
本文将从催化剂的定义、种类、作用机理以及在不同领域的应用等多个方面进行详细探讨，以展示催化剂在化学反应中的重要性。
催化剂的定义催化剂是一种能增大反应速率的物质，参与化学反应后并不会被消耗，同时可以通过再生的方式继续参与后续的反应。
与常规反应不同，在催化剂的催化下，反应能量壁垒降低，使得反应物更容易转化为产物。
催化剂不仅能加速正反应，还可能影响到平衡反应，改变产物的分布。
催化剂的种类催化剂通常可以分为两大类：均相催化剂和非均相催化剂。
均相催化剂均相催化是指催化剂与反应物处于同一相态（通常为气态或液态）。
均相催化常见于液体反应中，如酸催化的酯化反应中。
对象：如酸、碱、金属盐等溶解在溶液中的物质。
优点：由于各物质均匀分散在同一相中，反应速率通常较快。
然而，均相催化也存在一定的局限性，比如难以分离和再利用催化剂，以及在高浓度下容易发生副反应等。
非均相催化剂非均相催化是指催化剂与反应物处于不同相态（通常为固体与气体或液体）的情况。
这是在工业中最常用的一类催化方式。
对象：如固体金属、金属氧化物、活性炭等。
优点：容易分离和再利用，能够适应各种复杂环境。
非均相催化广泛应用于氢气生成、石油裂解等工业过程中。
催化剂的作用机理催化剂通过改变分子之间的交互方式，降低活化能，从而促进转变。
在这方面，催化过程可以概括为以下几个步骤：吸附：反应物分子吸附到催化剂表面，形成过渡态复合物。
反应：吸附后的分子发生转变，成为产物分子。
脱附：产物从催化剂表面脱附，并释放给系统。
这个过程中的关键在于吸附和脱附阶段。
利用已有的知识，人们可以设计出更高效的催化剂，通过对其结构调整来提高其活性和选择性。
催化过程的能量变化从热力学角度来看，干涉效果会导致系统能量状态产生变化，使得适当的路径成为可能。
fcc催化剂及其催化作用
fcc催化剂及其催化作用FCC催化剂是指用于流化催化裂化反应的固体催化剂。
FCC催化剂不仅能催化石油馏分，也可催化重质石油及煤等高密度原料。
下面将详细介绍FCC催化剂及其催化作用。
一、原理工业上催化剂的作用主要集中在裂化反应上。
裂化是利用催化剂破坏劣质石油成分中的碳-碳键或碳-氢键，使其成为更轻的化合物。
FCC催化剂的组成多样，一般由活性组分、载体以及稳定剂等三种成分组成。
其中，载体起支撑和保护作用，稳定剂可提高催化剂的稳定性，而活性组分则是实现催化反应的关键。
二、催化剂的主要成分（1）催化剂载体常用的催化剂载体有二氧化硅、氧化铝、硫酸铝、氧化钇、氧化锆等。
其中，氧化铝的性能稳定，是FCC催化剂的主要载体。
（2）稳定剂稳定剂一般用来提高催化剂的稳定性，增加其使用寿命。
常用的稳定剂有硒、钒、钇、锆等。
（3）活性组分活性组分是FCC催化剂的核心组成部分，通常是由碳氢酸化合物、钼、镍、钴、铁等金属化合物组成。
这些化合物具有良好的反应活性和选择性，能够有效地催化裂化反应。
三、催化剂的催化作用FCC催化反应是一种在流化床内进行的非常重要的裂化反应，其主要作用有以下三个：（1）分解废油FCC催化剂能够高效、快速地将重油分解成轻质的可燃气体。
这是由于在高温高压下，FCC催化剂能够破坏原料油中的长链分子，转化为更轻的烃类。
（2）降低粘度FCC催化剂还能够使原料油变得更加流动，因为长链分子在催化剂的作用下裂解成为较短的链烃，从而降低了油的黏度。
（3）增加汽油产量FCC催化剂能够提高汽油的辛烷值，增加其产量。
这是由于在裂化过程中，原料油中的杂质被深度切割和转化，从而得到了更加纯净的燃料。
综上所述，FCC催化剂在现代石油化工行业中扮演着至关重要的角色。
通过裂解废油、降低粘度、增加汽油产量等功能，FCC催化剂能够高效地提高石油化工产品的产量和质量，并有利于节约能源和降低环境污染。
催化剂的组成及功能
催化剂的组成及功能催化剂是一种能够增加化学反应速率的物质，它在反应中不被消耗或改变，但可以通过提供一个合适的反应表面或改变反应机制来促进反应发生。
催化剂的组成及功能与其所应用的反应类型密切相关。
下面将详细介绍催化剂的组成及功能。
1.组成催化剂的成分催化剂通常由两个主要成分组成：活性物质和载体。
活性物质是催化剂固体表面上的活性位点，负责参与反应并促进反应发生。
载体是活性物质的支撑材料，帮助提供镀金的表面，增加活性位点的数量，并提供催化剂的物理稳定性。
2.催化剂的功能催化剂在化学反应中起到以下几个重要的功能：2.1提供活性位点：催化剂表面的活性位点能够提供反应所需的能量，使反应物分子能够吸附到活性位点上，并进一步发生化学反应。
活性位点可以是原子、分子或离子，它们能够提供不同的吸附性质和反应活性。
2.2降低活化能：催化剂通过吸附参与反应的物质分子，使其分子键变弱，从而降低了反应的活化能。
这样，反应物分子就能更容易地克服反应势垒，从而提高反应速率。
2.3改变反应机制：催化剂可以改变反应的机理，使反应途径变得更加有利于所需产物的生成。
它能提供一个特定的反应表面，调整中间体的稳定性和活性，使反应遵循更有利于产品生成的反应路径。
2.4增加反应物的有效碰撞率：催化剂提供了一个表面，可以吸附反应物分子并使它们接近到足够近的距离，从而增加反应物的有效碰撞率。
活性物质上的活性位点可以提供吸引反应物分子的能力，并调整它们的位置和构象，以便更容易地发生反应。
2.5抑制副反应：催化剂可以选择性地转化反应物，减少或抑制副反应的产生。
它能够选择性地与特定反应物分子发生吸附和反应，并防止不必要的氧化、还原和重排等副反应发生。
2.6可重复使用性：与反应物不同，催化剂在反应中不会消耗或改变其结构，因此可以被多次使用。
当反应完成后，催化剂可以通过简单的分离和再生过程来恢复其活性，以便进行下一次催化反应。
总结起来，催化剂在化学反应中起到提供活性位点、降低活化能、改变反应机制、增加反应物的有效碰撞率、抑制副反应以及具有可重复使用性等功能。
催化作用与催化剂
活性组分的分类
1.2 催化剂的组成与载体的功能
• 1.2.1 催化剂的组成 • 2）载体 • 载体是催化活性组分的分散剂、粘合物或支撑体， 是负载活性组分的骨架。将活性组分、助催化剂 组分负载于载体上所制得的催化剂，称为负载型 催化剂。 • 高比表面载体：S>100、孔径<1000nm • 低比表面载体：高温反应和强放热反应 • 载体不仅关系到催化剂的活性、选择性，还关系 到它们的热稳定性和机械强度，关系到催化过程 的传递特性，故在筛选和制造优良的工业催化剂 时，需要弄清载体的物理性质和它的功能。
1.4 均相催化剂的特征
• • • • 1.4.3 络合均相催化的工业应用案例 1）烯烃的氢甲酰化反应 2）甲醇羰化合成乙酸 3）乙烯直接氧化制取乙醛
常用载体的类型
1.2 催化剂的组成与载体的功能
• 1.2.1 催化剂的组成 • 3）助催化剂 • 助催化剂是加到催化剂中的少量物质，是催化剂 的辅助成分，其本身没有活性或者活性很小，但 把它加到催化剂中后，可以改变催化剂的化学组 成、化学结构、离子价态、酸碱性、晶格结构、 表面构造、孔结构、分散状态、机械强度等，从 而提高催化剂的活性、选择性、稳定性和寿命。 助催化剂的功效往往很大，同一种活性组分加入 不同的添加物，其效应不同，而且助催化剂的含 量效应常比载体的含量效应敏感得多。
1.3 对工业催化剂的要求
• 1.3.1 活性和选择性指标
1.3 对工业催化剂的要求
• 1.3.2 稳定性和寿命指标 • 催化剂的稳定性，是指他的活性和选择性随时间 变化的情况。 • 工业催化剂的稳定性，包括热稳定性、化学稳定 性和机械强度稳定性三个方面。 • 催化剂的寿命，是指在工业生产条件下，催化剂 的活性能够达到装置生产能力和原料消耗定额的 允许使用时间；也可以是指活性下降后经再生活 性又恢复的累计使用时间。 • 工业催化剂除上述三方面的基本要求外，还有从 生产角度提出的一些要求，如粒度大小和外形， 导热性能和自身的比热，制造工艺与重现性、再 生性等。
催化剂组分
催化剂组分
催化剂是一种能够加速化学反应速率的物质，通常由一个或多个组分组成。
不同类型的催化剂具有不同的组分和结构。
以下是几种常见的催化剂组分：
1. 金属：金属催化剂是最常见和广泛使用的催化剂之一。
例如，铂、钯、铑等贵金属常用于催化氧化、氢化和还原反应。
2. 氧化物：氧化物催化剂包括二氧化钛、二氧化硅、氧化铝等。
这些催化剂常用于氧化、羰基化、酯化等反应。
3. 酸碱催化剂：酸催化剂和碱催化剂可用于酸碱催化反应，如酯化、醇缩合、乙醇脱水等。
常见的酸催化剂包括硫酸、磷酸等，而碱催化剂则包括氢氧化钠、氢氧化钾等。
4. 酶：酶是生物体内天然存在的催化剂，能够在温和的条件下加速化学反应。
常见的酶催化剂包括蛋白酶、淀粉酶和DNA 聚合酶等。
5. 分子筛：分子筛是一种多孔固体，具有规则的孔道结构。
它可以作为催化剂的载体，提供大量的活性中心，并增加反应表面积。
常见的分子筛催化剂包括沸石和硅铝酸盐等。
6. 合成材料：有机合成中常使用一些特定合成材料作为催化剂的组分，如氧化锌、氧化镁、硒化物等。
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催化剂的组成与功能
催化剂的组成：活性组分
载体
助催化剂
催化剂组分与功能关系：
一、 活性组分
它是催化剂的主要组分，有时由一种物质组成，有时由多种物质组成
如：乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂；丙烯氨氧化制丙烯腈用的钼和铋催化剂
20%40%60%80%100%2%
4%
6%
8%
10%
氨
含量
Mo的混合比
Mo-Fe合金组成与活性关系
活性组分的分类:
二、载体
载体是催化剂活性组分的分散剂、粘合剂和支撑物，是负载活性组分的骨架。
例如，乙烯氧化制环氧乙烷催化剂中的Ag就是负载在“α—Al2O3上的，这里的α—Al2O 3称为载体。
载体还常分为惰性载体与活性载体。
严格来说，催化剂中的组分都不是惰性的，都对主剂与助剂有所影响，只不过活性载体的作用更为明显而已。
载体的作用与助催化剂的作用在很多方面有类似之处，不同的是载体量大，助催化剂量小；前者作用较缓和，后者较明显。
另外，由于载体量大，可赋予催化剂以基本的物理结构与性能，如孔结构、比表面、宏观外形、机械强度等。
此外，对主催化剂和助催化剂起分散作用，尤其对贵金属既可减少其用量，又可提高其活性，降低催化剂成本。
作为高效催化剂，活
性组分与裁体的选择都非常重要。
下面是载体的分类和部分常见载体的种类：
催化剂的活性随载体比表面的增加而增加，为获得较高的活性，往往将活性组分负载于大比表面载体上。
载体与催化剂的活性、选择性、热稳定性、机械强度以及催化过程的传递特性有关，因此，在筛选和制造优良的催化剂时，需要弄清载体的物理性质和它的功能。
催化剂组分与含量的表示方法：例如：合成氨催化剂Fe—K2O—Al2O3用“—’将催化剂中的各组分隔开：加氢脱硫催化剂Co—Mo/α—Al2O3，斜线上为主剂和助剂，斜线下为载体。
各组分的含量可用重量％、重量比表示，也可用原子％、原子比表示。
载体的功能：
⏹提供有效的表面和适宜的孔结构
⏹增强催化剂的机械强度
⏹改善催化剂的传导性
⏹减少活性组分的含量
⏹载体提供附加的活性中心
⏹活性组分与载体之间的溢流现象和强相互作用
理想的催化剂载体应具备的特性
能适应某一特定反应的外形；
有足够的抗破碎强度；
有足够的反应表面和合适的孔结构；
有足够的稳定性，包括活性稳定性与热稳定性；
导热、热容量及堆密度适中；
不含使催化剂中毒的物质；
原料易得，载体制备过程简便。
三、助催化剂
定义：加入少量的某种物质，可以显著改善催化剂效能，包括活性，选择性与稳定性和寿命等。
它是通过改变催化剂的化学组成、化学结构、离子价态、酸碱性、晶格结构、表面结构、孔结构、分散状态、机械强度等来
提高催化剂的性能。
助催化剂的分类：
（1）结构型助催化剂
（2）电子型助催化剂：
（3）晶格缺陷型助催化剂：使活性物质晶面的原子排列无序化，增大晶格缺陷浓度来提高催化剂的催化活性。
第（2）、（3）类也合称为调变性助催化剂
结构型助催化剂：
作用：提高活性组分的分散性和热稳定性。
原理：能使催化活性物质粒度变小、表面积增大，防止或延缓因烧结而降低活性等，工业催化过程通常在几百度的条件下进行，本来不稳定的微晶容易烧结，因而导致催化剂的活性下降。
而助催化剂的加入可以阻止或减缓微晶的增长速度，从而延长催化剂的使用期限。
例如：合成氨的铁催化剂，加入少量的Al2O3电子型助催化剂：
作用：改变催化剂活性物质的结构和化学组成，促进催化活性选择性。
原理：催化剂活性组分的空d轨道能接受助催化剂提供的电子，改变了活性组分的电子结构，提高了催化剂的活性和选择性；可能生成新的晶相，或者也可能产生或增多催化剂中晶相或微晶间活性界面的数目。
从而提高活性或选择性。
例如：Fe－Al2O3中加入K2O
常见助催化剂举例：。