催化剂与催化动力学基础
化学动力学基础知识点总结
化学动力学基础知识点总结
化学动力学是化学的一个分支，主要研究化学反应的速率和机理。
以下是一些化学动力学的基础知识点总结：
1. 反应速率：化学反应速率是指单位时间内反应物或生成物浓度
的变化量，可以用单位时间内反应物或生成物的摩尔数来表示。
2. 反应级数：反应级数是指化学反应速率与反应物浓度的幂次方
之间的关系。
一级反应的速率与反应物浓度的一次方成正比，二级反
应的速率与反应物浓度的二次方成正比，以此类推。
3. 活化能：活化能是指反应物分子从常态转变为能够发生化学反
应的活化态所需的能量。
活化能越高，反应速率越慢。
4. 催化剂：催化剂是一种能够加速化学反应速率而自身在反应过
程中不被消耗的物质。
催化剂通过降低反应的活化能来加速反应速率。
5. 反应机理：反应机理是指化学反应的具体步骤和过程，包括反
应物分子如何相互作用形成过渡态以及过渡态如何转化为生成物。
6. 碰撞理论：碰撞理论认为化学反应是反应物分子之间的碰撞导致的。
只有那些具有足够能量的分子在适当的取向下发生碰撞时，才能发生化学反应。
7. 阿伦尼乌斯方程：阿伦尼乌斯方程是描述反应速率与温度之间关系的经验公式。
它表明反应速率常数与温度成指数关系，活化能越高，温度对反应速率的影响越大。
8. 稳态近似：稳态近似是一种处理快速平衡反应的方法，假设反应中间物的浓度在反应过程中保持恒定。
这些是化学动力学的一些基础知识点，化学动力学在化学研究和实际应用中都有广泛的应用，例如在化学工程、药物研发、环境保护等领域。
多相催化反应动力学基础
多相催化反应动力学基础1. 引言多相催化反应是一种重要的化学反应类型，广泛应用于工业生产和环境保护等领域。
了解多相催化反应的动力学基础对于优化反应条件、提高反应效率具有重要意义。
本文将介绍多相催化反应的基本概念、动力学原理以及常见的动力学模型和实验方法。
2. 多相催化反应的基本概念多相催化反应指的是在固体催化剂表面上进行的气体或液体物质之间的化学转化过程。
在多相催化反应中，固体催化剂作为活性中心，吸附并与参与反应的物质发生作用，从而促进反应进行。
多相催化反应通常包括吸附、扩散、表面反应等步骤。
3. 动力学原理多相催化反应动力学研究主要关注物质在固体表面上的吸附和解离过程以及表面活性中心上的表面反应动力学。
吸附是指气体或液体分子与固体表面发生相互作用并停留在表面的过程。
解离是指吸附分子在固体表面上发生键断裂，形成活性中心和反应物分子的过程。
表面反应是指活性中心与反应物分子之间的化学反应过程。
4. 动力学模型多相催化反应动力学模型可以分为两类：微观动力学模型和宏观动力学模型。
微观动力学模型基于吸附和解离等单个分子层面的过程，通常采用基于统计力学原理的动力学方程进行建模。
宏观动力学模型则通过考虑整个反应体系的质量守恒和能量守恒等原理，建立描述反应速率与浓度之间关系的动力学方程。
5. 实验方法多相催化反应动力学实验通常包括固定床实验、循环流化床实验、扩散实验等。
固定床实验是最常用的多相催化反应实验方法，通过将固体催化剂装填在管状或颗粒状反应器中，控制气体或液体物质在固体表面上的接触时间和温度来研究催化反应的动力学行为。
循环流化床实验则通过气体或液体在固体床上的循环流动来模拟工业生产中的实际情况。
扩散实验则用于研究吸附和扩散等过程对反应速率的影响。
6. 结论多相催化反应动力学是研究多相催化反应基本原理和优化反应条件的重要领域。
了解多相催化反应动力学基础有助于我们深入理解多相催化反应机理，并为工业生产中的催化过程提供指导和优化建议。
化学反应工程(第三版)陈甘棠主编_第五章_催化剂与催化动力学基础
Ki 称为吸附平衡常数，是i组分吸附速率常数与脱附速率常数之比。 式（5-28）即为过程的总速率方程。由该式的分母可知，反应物和产物 均被吸附。分母的方次表明该反应是在A、B两个活性中心之间进行的。
若控制步骤为可逆反应 过程总速率：
Aσ + Bσ
k1
k2
Rσ + Sσ
r k k A 1 A B 2 R S
第五章 催化剂与催化动力学基础
5.1 催化剂
能够改变化学反应速率而本身在反应前后不发生组成变化的物质。 （1）类型 金属（良导体）、金属氧化物和硫化物（半导体）以及盐类和 酸性催化剂（大多数是绝缘体） （2）载体 活性炭、硅胶、活性白土、硅藻土、沸石（分子筛）、骨架Ni、 活性Al2O3、 Fe等 （3）性能要求 活性好、选择性高、寿命长。 （4）结构
k k K K 1 A B
K
k1K A KB k2 KR KS
比较式（5-28）和式（5-30）可见，表面反应为控制步骤时，可逆反 应与不可逆反应速率式的分母相同，区别在于分子。可逆反应的分子上有两 项，不可逆反应只有一项。
A在吸附时解离 A + 2σ B + σ 2A1/2σ + Bσ Rσ Sσ 按上述方法可得到
几种常用催化剂的结构
无定形颗粒 球形 柱形 长柱形 三叶草形
环形
多孔柱形 车轮形
比表面积
破碎强度
压降
独石形
金属独石形
Foam
（5）制备方法
① 混合法
② 浸渍法 ③ 沉淀法或共沉淀法 ④ 共凝胶法 ⑤ 喷涂法及滚涂法 ⑥ 溶蚀法 ⑦ 热熔法
5.3 气固相催化反应动力学
气-固相反应速率的定义式
工业催化原理,第1章 催化剂与催化作用基本知识
问题3：催化剂的选择性在工业上有何意义？
1 2 3 4 5
催化作用的特征 催化反应和催化剂的分类 固体催化剂的组成与结构 催化剂的反应性性能及对工业催 化剂的要求 多相催化反应体系的分析
1.2.1催化反应分类
按催化反应系统物相的均一性进行分类
均相催化反应
非均相（又称多 相）催化反应
酶催化反应
均相催化反应是指 反应物和催化剂居 于同一相态中的反 应。
CO+H2
Rh络合物,473～573K, 5.0665×107～ 3.0399×108Pa
Cu,Zn,493K, 3×106Pa
Ni, 473～573K, 1.0133×105Pa Co,Ni, 473K, 1.0133×105Pa
甲烷 和成汽油
1.1.4催化剂对加速化学反应具有选择性
热反应时生成CO2比生 成甲醛的能垒小很多
聚合
卤化 裂解
CrO3,MoO2,TiCl4-Al(C2H5)3
AlCl3,FeCl3,CuCl2,HgCl2 SiO2-Al2O3,SiO2-MgO,沸石分子筛，活性白土
水合
H2SO4,H3PO4,HgSO4,分子筛，离子交换树脂
烷基化，异构化 H3PO4/硅藻土，AlCl3,BF3,SiO2-Al2O3,沸石分子筛
问题2：请同学们举二个以上的实例？
1.1.4催化剂对加速化学反应具有选择性
表1-2 催化剂对可能进行的特定反应的选择催化作 用
反应物 催化剂及反应条件 Rh/Pt/SiO2，573K，7×105Pa
Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K, 1.0133×107～ 2.0266×107Pa
产物 乙醇 甲醇 乙二醇 二甲醚
催化基础教学大纲
催化基础教学大纲催化基础教学大纲催化是一门重要的科学领域，它在化学、材料科学、能源等众多领域中发挥着重要作用。
为了培养学生对催化的深入理解和掌握，制定一份催化基础教学大纲是非常必要的。
本文将就催化基础教学大纲的制定进行探讨。
首先，催化基础教学大纲的制定需要明确教学目标。
催化基础教学的目标是培养学生对催化的基本概念、原理和应用的理解和掌握。
学生应该能够理解催化反应的基本概念，包括催化剂、反应速率、活性位点等；掌握催化反应的原理，包括催化剂的作用机理、反应动力学等；了解催化在化学、材料科学、能源等领域中的应用，包括催化剂的设计和合成、催化反应的工艺优化等。
其次，催化基础教学大纲的内容应该全面而系统。
催化基础教学大纲应该包括以下几个方面的内容：催化反应的基本概念，包括催化剂、反应速率、活性位点等；催化剂的作用机理，包括催化剂的吸附、解离、表面扩散等过程；催化反应的动力学，包括反应速率方程、反应速率常数等；催化剂的设计和合成，包括催化剂的选择、制备和表征等；催化反应的工艺优化，包括反应条件的选择、催化剂的再生等。
此外，催化基础教学大纲的教学方法应该多样化。
催化基础教学大纲的制定不仅要考虑到教学内容的全面性和系统性，还要考虑到教学方法的多样性。
催化基础教学应该采用多种教学方法，包括讲授、实验、讨论等。
讲授可以帮助学生了解催化反应的基本概念和原理；实验可以帮助学生掌握催化反应的操作技能和实验方法；讨论可以帮助学生深入理解和应用催化反应的知识。
最后，催化基础教学大纲的评估方式应该合理。
催化基础教学大纲的制定不仅要考虑到教学内容和教学方法，还要考虑到教学评估的方式。
催化基础教学的评估方式应该合理，既要考察学生对催化反应的理解和掌握，又要考察学生对催化反应的应用能力。
评估方式可以包括课堂测验、实验报告、项目设计等。
通过合理的评估方式，可以更好地了解学生的学习情况，及时调整教学内容和教学方法。
总之，催化基础教学大纲的制定是培养学生对催化的深入理解和掌握的重要途径。
催化剂基础详解
第一章 绪论
1.1.1催化作用的意义
合成氨
• N2+3H2→3NH3 • 催化剂：Fe-Al2O3-K2O • 每吨催化剂可产2万吨氨
• N2来源：空气分离 • H2来源: 烃类水蒸气转化法。 • 工艺（涉及反应）：加氢、脱硫、转化、
变换、甲烷化、氨合成。需用八种不同
催化剂
第一章 绪论
1.1.1催化作用的意义
氧化还原型反应：催化剂与反应物通过单个电 子转移，形成活性中间体物种进行的催化反应。
催化剂的分类
按催化剂的元素及化合态分类 金属、金属氧(硫)化物、金属有机化合物 按催化剂的导电性及化学形态 导体、半导体、绝缘体 按行业类别分类 石油炼制工业、化肥工业、环境保护等
催化剂的反应性能
物进料总量的百分比 产率＝转化率×选择性
催化剂的稳定性
使用寿命：指催化剂在一定反应条件下 维持一定反应活性和选择 性的使用时间。
a
催
化b
稳定期
衰
剂
老
活成
期
性
熟 期
催化剂的稳定性
化学稳定性 耐热稳定性 抗毒稳定性 机械稳定性
对工业催化剂的要求
适宜的活性 高选择性
活性和选择性的取舍 长寿命
石油
第一章 绪论
煤
1.1.1催化作用的意义
第一章 绪论
天然气
1.1.1催化作用的意义
催化剂的定义与特征
催化剂的定义
能改变化学反应的速度 不改变化学反应的热力学平衡位置 本身在化学反应中不被明显地消耗
催化剂的特征 只能改变热力学上可进行的化学反应
只改变化学反应的速度，而不改变化学平衡的 位置。
多相催化与催化动力学课件
产物脱附
反应产物从催化剂表面脱附， 完成一个催化循环。
催化剂失活
在多相催化过程中，催化剂表 面会逐渐被堵塞或中毒，导致 催化剂失活。需要定期再生或
更换催化剂。
02
催化动力学基础
动力学方程与速率
动力学方程
描述反应速率与反应物浓度的 关系，通常采用速率方程的形 式，如速率 = k[C]^m[D]^n
01
纳米科技在多相催化中的应用
随着纳米科技的发展，多相催化材料的研究和应用将更加深入和广泛，
包括新型催化剂的设计、制备和应用等。
02 03
计算机模拟和理论计算的应用
随着计算机技术和计算化学的进步，计算机模拟和理论计算在多相催化 中的应用将更加广泛和深入，有助于揭示催化反应的机制和优化催化剂 的性能。
径和反应机理有关。
活化熵
反应发生所需的熵变，通常 由实验测定，与反应途径和 反应机理有关。
活化焓
反应发生所需的焓变，通常 由实验测定，与反应途径和 反应机理有关。
催化剂活性与选择性
选择性
催化剂对特定反应的催化能力 ，通常用目标产物的收率来表 示。
催化剂寿命
催化剂在使用过程中保持其活 性和选择性的时间。
未来发展方向与展望
基础研究和应用研究的深度融合
未来，多相催化和催化动力学的研究将更加注重基础研究和应用研究的深度融合，以推动科学技术的发展和应用。
新材料和新技术的开发和应用
未来，新材料和新技术的开发和应用将成为多相催化和催化动力学研究的重要方向，包括新型纳米材料、复合材料、 生物材料等。
绿色化学和可持续发展的推进
反应条件优化
通过模拟计算，可以研究反应温度 、压力、浓度等因素对反应过程的 影响规律，为优化反应条件提供依 据。
第章 催化剂与催化动力学基础
章 稳定性：催化剂的稳定性(寿命)也是重要因素，更换催化
·
催 剂的就得停机停产，一般催化剂的寿命要达到一至两年。
化 动
催化剂的失活原因是多种多样的，最主要的是工业上称之
力 为触媒的“中毒”。暂时的失活针对不同的催化剂是可以
学 用不同的方法使其再生。但对于永久性的失活则无法再生。
基
础
2019/11/3
记作Vg-- cm3 / g 。
孔隙率ε是催化剂颗粒的孔容积和颗粒的体积之比。
注意p120-139空隙率孔隙率
孔径及其分布 反 催化剂中孔道的大小、形状和长度都是不均一的，催化剂 应 工 孔道半径可分成三类：
程 1）微孔，孔半径为1nm左右；
第 2）中孔，孔半径为1～25nm左右； 五 3）大孔，孔半径大于25nm的孔。
动 力
成一层钝化膜，保护内部的催化剂不再与氧接触发生氧化反
学 应，该过程称为钝化。
基
础
2019/11/3
17
例如：臭氧催化氧化技术净化自来水 反 应 是使臭氧在催化剂作用下产生更多的有强氧化能力的中
工 间产物（如羟基自由基，·OH），达到提高臭氧氧化能
程 力的效果。臭氧多相催化氧化法利用固体催化剂在常压
章 载体的作用是作为催化剂的骨架，同时提供催化剂的内表
·
催 化
面积。
动
力
学
基
础
2019/11/3
26
A→P
外表面 反
应
内表面
工
程
第 五 1.外扩散 章
2.内扩散 3.化学反应： （1）（2）（3）
·
催
化
动
吸附 反应 脱附
力 气固相催化反应本征动力学的理论基础是化学吸附理论。
多相催化反应动力学基础
多相催化反应动力学基础
多相催化反应是指反应物和催化剂处于不同的相（如气-气、气-液、液-液、固-液等），催化剂在反应中起到催化作用。
多相催化反应的动力学研究包括反应速率、反应速率方程和反应机理等方面。
1. 反应速率：反应速率是指单位时间内反应物消失或生成的物质量。
对于多相催化反应，其速率可以通过测定反应物浓度或催化剂表面物质的变化来确定。
多相催化反应速率受到很多因素的影响，包括反应物浓度、催化剂表面积、温度、压力和物质传递等。
2. 反应速率方程：多相催化反应的速率可以通过与反应物浓度和催化剂活性表面积的关系来描述。
通常，多相催化反应速率方程可以用Langmuir-Hinshelwood模型来表示，该模型考虑了反应物在催化剂表面上吸附和反应的过程，一般形式为： - r = k * θA * θB
其中，r是反应速率，k是反应速率常数，θA和θB分别是反应物A和B在催化剂表面的覆盖度。
3. 反应机理：多相催化反应的机理包括吸附、表面反应和解吸等一系列步骤。
在多相催化反应中，反应物要先吸附到催化剂表面，然后在催化剂表面上发生反应，并最终从表面解吸释放出产物。
通过研究这些步骤的细节，可以揭示多相催化反应的机制和催化剂的性能。
总之，多相催化反应的动力学研究涉及反应速率、速率方程和
反应机理等基本概念。
这些研究对于优化催化反应条件、设计高效催化剂以及理解催化过程中的反应机理都具有重要意义。
第一章_(总)催化剂与催化作用基础知识
(活性组分)
基质 （载体）
•催化材料本身就是催化剂
粘结剂
催化剂 •新催化材料引导催化技术的突破性进展！
催化剂实验室发现与商业化应用
固体催化剂的组成
–主催化剂 –共催化剂 –助催化剂 –载体
主催化剂
主催化剂又称为活性组分，它是多组元催化剂中的 主体，是必须具备的组分，没有它就缺乏所需要的 催化作用。 例如，加氢常用的Ni／Al2O3催化剂，其中Ni为主 催化剂，没有Ni就不能进行加氢反应。 有些主催化剂是由几种物质组成，但其功能有所不 同，缺少其中之一就不能完成所要进行的催化反应。 如重整反应所使用的Pt／Al2O3催化剂，Pt和 Al2O3均为主催化剂，缺少其中任一组分都不能进 行重整反应。这种多活性组分使催化剂具有多种催 化功能，所以又称之为双功能(多功能)催化剂。
催化剂分类
按元素周期律分类： 金属催化剂（Ni, Fe, Cu, Pt, Pd…等过渡金属 或贵金属) 金属氧化物催化剂和金属硫化物催化剂(多为 半导体) TiO2、 La2O3、CeO2、MoO3、 MoS 等 酸碱催化剂（ SiO2-A12O3、WO3/ZrO2、各类 分子筛等 ） 金属配合物催化剂（MLn) 双功能催化剂（Pt/SiO2-A12O3； Pt（Pd)/分子 筛；MgO-SiO2 ）
能否打破热力学平衡？ 答案是肯定的！利用催化膜技术是未来的希望
催化剂不能改变平衡位置 -实例（2）
催化剂不能改变平衡位置 -实例（3）
催化作用通过改变反应历程 而改变反应速度
催化剂加速化学反应是通过改变化学反应历程， 降低反应活化能得以实现的。 有少数反应不是通过改变反应活化能加速化学 反应的，而是通过改变指前因子加速化学反应 （提高碰撞次数）。例如甲酸分解反应，用玻 璃和铑二种催化剂的反应活化能分别为 102.4kJ/mol和104.5kJ/mol，二者极其接 近，然而铑为催化剂的分解速率是玻璃的一万 倍。
高等化学反应工程-1-第1章-催化剂与催化动力学基础
而： i
K i Pi 1 - 9 1 K i Pi
从朗缪尔吸附等温线可以看出：吸附量（或覆盖率）与压力的关系是双 曲线型。辛雪乌（Hinshewood）利用本模型成功地处理了许多气固相催 化反应，所以又被称为“兰-辛（L-H）机理”。
⒉弗罗因德利希型（非理想表面） 均匀表面吸附理论的关键在于认为催化剂表面各处吸附能力完全相同， 即吸附、脱附活化能和吸附程度无关，但实际上是有关系的。 弗罗因德利希认为：对吸附、脱附过程，吸附、脱附活化能是随表面覆 盖度的增加而变化的。即对吸附过程：
很快，活化能低，<4 kJ/mol <8 kJ/mol，很少超过凝缩热 多分子层 高度可逆 用于测定表面积及微孔尺寸
温度较高，远高于沸点
非活化的，低活化能；活化的，高活化能， >40 kJ/mol >40 kJ/mol，与反应热的数量级相当 单分子层 常不可逆 用于测定活化中心的面积，及阐明反应动力 学规律
固体催化剂之所以能起催化作用，乃是由于它与各个反应组分的气体分子 或者是其中的一类分子能发生一定的作用，在这一定的作用里面，最基本 的作用是吸附。吸附就是最基本的现象，可以说吸附是催化反应发生的前 提。 吸附的两种类型：物理吸附和化学吸附。
物理吸附： ①在低温下才较显著，类似于凝缩过程；气体分子与固体表面间的吸力 很弱，吸附热约为8~25 kJ/mol，吸附的活化能很小，常在4 kJ/mol以下； 由于所需能量小，所以达到平衡也快； ②升高温度可使物理吸附的能力迅速降低，在物质临界点以上，一般物 理吸附已极微，这就说明它不是催化中的重要因素。
0 Ea E0 a A ，E d E d A
吸附过程： ra k a p A exp gA 1 - 14 脱附过程： rd k d exph A 1 - 15 当吸附平衡时，得： 1 A lnap A 1 - 16 f f g h 1 - 17 其中， a k a k d 焦姆金型主要适用于覆盖率为中等程度时。
催化剂与催化动力学
Langmuir吸附等温线式
n
吸附机理
n
基本假定
1. 均匀表面(或称理想表面)：即催化剂表面各处 的吸附能力是均一的，吸附热与表面已被吸附 的程度如何无关； 2. 单分子层吸附； 3. 被吸附的分子间互不影响，也不影响别的分子 的吸附； 4. 吸附的机理均相同，吸附形成的络合物亦均相 同。
吸附时，气 体分子不断撞击到催化剂表面 上来而 有一部分被吸附住，但 由于分子的各种动 能，也 有一些吸附的分子脱附下去 ，最后达到动 态的平 衡。 设固体表面被吸附分子所覆盖的分率 (覆盖率 )为 θ ，则裸露部分的分率便为(1-θ); 吸附上去的速率 r应与裸露面积的大小 及气相分压 (即代表气体分子与 表面的碰撞次数 )成正比 ，因此 对于分子A在活性点 σ上的吸附，其机理可写成 :
化学工程 化学工程
n n
n n
化学反应工程 化学反应工程
n n
相似论、因次论 相似论、因次论
n n
数学模型法 数学模型法 非线性问题 非线性问题 数值 方法
n n
物理过程 物理过程
化学过程和物理过程 化学过程和物理过程
n n
要了解反应器内发生的物理和化学现象： p 化学反应与速度 p 流动 ‘三传一反’ p 热量传递 p 质量传递
Langmuir吸附等温线可以看出吸附量 吸附等温线可以看出吸附量 Langmuir (或覆盖率 或覆盖率 )与压力的关系是双曲线型 与压力的关系是双曲线型 ( )
Hinshelwood成功地描述了气－固相催化反应， L-H机理
n
可见，A为解离吸附，则(KAPA)项为1/2次方。
Freundlich型（弗罗因德利希）
吸附反应过程
1. A的膜扩散 浓度推动力 4. 表面反应 化学势 5. 产品表面脱附 浓度推动力 2. 内孔扩散 浓度推动力
高等化学反应工程-1-第1章-催化剂与催化动力学基础
机械强度
通过硬度计、磨损试验等方法测定催 化剂的机械强度，反映其耐久性和抗 磨损性能。
催化剂的化学性质表征
组成分析
通过化学滴定、光谱分析等方法 测定催化剂中各组分的含量及化 学状态。
酸碱性质
通过酸碱滴定、吸附量热法等方 法测定催化剂的酸碱性质，影响 催化反应的活性。
氧化还原性质
通过氧化还原滴定、循环伏安法 等方法测定催化剂的氧化还原性 质，与催化反应中的电子转移过 程密切相关。
02
催化动力学基础
反应速率与反应机理
反应速率
反应速率描述了化学反应的快慢 程度，通常用单位时间内反应物 浓度的变化量来表示。
反应机理
反应机理是化学反应的具体步骤 和过程的描述，包括反应物如何 转化为产物，以及各中间步骤的 反应速率和活化能。
催化反应动力学方程
动力学方程
动力学方程描述了反应速率与反应物 浓度之间的关系，是研究化学反应过 程的重要工具。
速率常数
速率常数是描述反应速率快慢程度的 物理量，与催化剂的性质和温度等因 素有关。
催化反应的动力学分析
动力学分析方法
动力学分析方法包括实验测定和理论计算，通过这些方法可以深入了解反应过程和机理。
动力学参数
动力学参数包括活化能、指前因子等，这些参数对于理解和优化化学反应过程具有重要 意义。
03
催化剂的制备与表征
合金化
02
03
负载型催化剂
将不同性质的元素组合成合金催 化剂，利用元素间的协同作用提 高活性。
将活性组分负载在惰性载体上， 既提供良好的分散性，又增加机 械稳定性。
05
工业催化过程与应用
工业催化过程的特点与类型
高效性
催化剂与催化动力学基础
2
（5-28）
B. 如为可逆反应
A B
R S
假设机理同前，但控制步骤为：
A B
k1 R S
k2
(rA ) k1AB k2RS
k1K APAV KB PBV k2 KR PRV KS PSV
k1KAKB PAPB k2KR PR KS PS V2
k1K A KB PA PB k2 K R PR KS PS 1 K A PA KB PB K R PR KS PS
5.2 催化剂（固体）的物理特性
5.2.1 物理吸附和化学吸附
固体催化剂之所以能起催化作用，乃是由于它与各个 反应组份的气体分子或者是其中的一类分于能发生一 定的作用，而吸附就是最基本的现象。实验研究表明， 气体在固体表面上的吸附有两种不同的类型，即物理 吸附与化学吸附。它们两者之间的不同主要反映在吸 附作用力、吸附剂、吸附的选择性、吸附温度、吸附 速率及活化能、吸附热、吸附的可逆性等方面。
A2 2
ka
kd
2 A
ra ka PAV2 ka PA (1 A )2
rd
kd
2 A
ka PA (1 A )2
kd
2 A
A
1
K A PA K A PA
V Vm
（5-6） （5-7）
两种或两种以上吸附质被吸附的过程
A
kaA
A
kdA
B
kaB
B
kdB
raA rdA kaAPAV kdAA
ra
rd
ka
PA
A
kd
A
A
ka PA
A
1
bPA n
V Vm
两边取对数可得：
催化反应动力学模型与催化剂设计策略探讨
催化反应动力学模型与催化剂设计策略探讨催化反应是是一种通过催化剂加速化学反应速率的方法。
催化剂的设计与优化对于实现高效催化反应至关重要。
在催化剂设计中，理解反应动力学模型是一个重要的基础。
本文将讨论催化反应动力学模型与催化剂设计策略的探讨。
催化反应动力学模型是描述反应速率与催化剂特性之间关系的数学表达式。
通过建立催化反应动力学模型，我们可以准确预测催化反应速率，并优化催化剂设计。
常见的催化反应动力学模型包括Arrhenius模型、Langmuir-Hinshelwood模型和Eley-Rideal模型等。
Arrhenius模型是描述反应速率与温度之间关系的经典模型。
该模型表达式为k = A * exp(-Ea/RT)，其中k为反应速率常数，A为预指数因子，Ea为活化能，R为理想气体常数，T为反应温度。
Arrhenius模型认为反应速率随着温度的增加而增加，活化能越低，反应速率越快。
Langmuir-Hinshelwood模型是描述反应速率与吸附分子表面之间相互作用的模型。
该模型认为反应发生在吸附分子表面，包括吸附、解离和表面反应三个步骤。
吸附分子必须先吸附到催化剂表面，然后解离成反应中间体，最后发生表面反应生成产物。
Langmuir-Hinshelwood模型考虑了物质的吸附行为和表面反应的速率限制。
Eley-Rideal模型是描述反应速率与气相分子与表面吸附分子之间相互作用的模型。
该模型认为反应发生在气体和固体表面之间，气相分子直接与吸附分子发生反应。
Eley-Rideal模型适用于气相与固相反应过程，其中气相分子与吸附分子的相互作用对催化反应速率有重要影响。
催化剂设计策略包括选择合适的催化剂材料、调控表面结构和控制催化剂活性中心等。
选择合适的催化剂材料是催化剂设计的基础。
常见的催化剂材料包括金属纳米颗粒、氧化物和复合材料等。
不同催化剂材料对于不同反应具有不同的催化活性和选择性。
调控催化剂表面结构可以有效提高催化剂的活性和稳定性。
催化学的基础研究及应用
催化学的基础研究及应用催化学作为一门交叉学科，涉及化学、物理、生物等多个学科，具有广泛的应用前景。
其研究的核心是从理论和实验两个方面探究催化机理，开发新的催化剂，设计高效的反应体系，以及在化工、能源等领域中实现可持续发展等目标。
本文将探讨催化学的基础研究及应用，并探讨其在当今世界发展中的不可或缺的地位。
一、催化学的基础研究催化学的基础研究一直是该领域不断发展的动力。
在研究中，科学家们通过对催化剂的种类、结构、性质、反应机理等多个方面的研究，试图解析催化过程中的各种问题，探寻影响反应速率和选择性的机理。
这些研究有助于人们更好地理解催化反应，设计更高效的催化剂，改进反应体系。
在基础研究中最重要的一步就是对催化剂的选取。
要想得到高效的催化剂，需要理解其在反应中的活性中心和表面性质，同时还需要探寻不同基础状态下的表现差异和催化性能的变化规律，以确定最佳的催化剂性质。
例如，在催化剂设计中，需要通过催化剂结构、成分、表面性质、形态等构建催化剂-反应体系，实现催化反应中的有效过程控制。
因此，在催化学基础研究中，催化剂的研究一直是一个重要的研究领域。
同时，催化剂的表面化学是影响催化反应速率和选择性的重要因素之一。
依据表面化学原理，研究表面结构、性质、反应和性能等多个方面可以为理解催化反应机理和评估催化剂性能提供更详细的信息。
此外，在表面化学领域中，还涉及到表面催化中的动力学、热力学等多个方面的研究，包括表面吸附、表面分子扩散、表面反应等等。
催化学的基础研究能够为催化过程的应用提供强有力的支持。
例如，在催化反应机制的研究中，可以确定催化反应的机理，为设计出具有更好性能的催化剂提供指导；在反应活性和选择性的研究中，可以有效地降低特定反应的副反应和废弃物产生，提高反应的效率。
二、催化学在能源领域中的应用随着能源需求的不断增加和能源储备的日益枯竭，能源开发和利用成为世界上面临的一项严峻挑战。
作为一项重要的技术手段，催化学在能源领域中具有巨大的应用潜力。
第5章催化剂与催化动力学基础
三、固体催化剂的主要组成固体催化剂一般由活性组分、助催化剂和载体组成。
活性组分活性组分的作用是催化作用,通常是金属或金属氧化物,例如镍、铁、铜、铝及其氧化物。
助催化剂助催化剂本身基本没有活性,但能够提高催化剂的活性、选择性和稳定性。
载体载体的主要作用是承载活性组分和助催化剂,是负载活性组分和助催化剂的骨架。
常用载体有:氧化铝、二氧化硅、碳化硅、活性炭、硅胶、硅藻土、沸石分子筛等。
混合法:将催化剂的各个组份作成浆状,经过充分的混合如在混炼机中后成型干燥而得。
浸渍法:将高比表面的载体在催化剂的水溶液中浸渍,使有效组成吸附在载体上。
如一次浸渍达不到规定的吸附量,可在干燥后再浸。
此外,要将几种组份按一定比例浸渍到载体上去也常采用多次浸渍的办法。
沉淀法或共沉淀法:在充分搅拌的条件下,向催化剂的盐类溶液中加入沉淀剂有时还加入载体,即生成催化剂的沉淀。
再经过滤及水洗除去有害离子,然后煅烧成所需的催化剂组成。
活化固体催化剂中的活性组分通常以氧化物、氢氧化物或者盐的形态存在,它们没有催化活性。
活化就是将它们还原成具有催化作用的活性形态。
固体催化剂在使用前先要活化,催化剂经活化后才有活性。
钝化当反应器需要检修时,先通入低浓度的氧,使催化剂外层形成一层钝化膜,保护内部的催化剂不再与氧接触发生氧化反应,该过程称为钝化。
催化剂的活化过程:在一定温度和压力下,用一定组成的气体对催化剂进行处理,使其中的某种氧化物、氢氧化物或盐的形态存在的活性组分得到还原或进行相变,以获得催化反应所必需的活性组分和相组成。
内表面积固体催化剂内含有大小不等的孔道,形成巨大的内表面积。
颗粒的外表面积和内表面积相比很小,一般忽略不计。
催化反应在内表面上进行。
以比表面积 Sg--m2/g 表征固体催化剂的内表面积。
内表面积越大,活性位越多,反应面越大。
如图所示,催化反应是由三个串联步骤组成:(1)在活性位的化学吸附;(2)吸附态组分进行反应;(3)产物脱附。
关于催化剂的工具书
关于催化剂的工具书催化剂是一种能够提高化学反应速率的物质，常用于化学工业过程中。
对于研究和应用催化剂的科学家和工程师来说，工具书是不可或缺的参考资料。
下面是关于催化剂的一些常见工具书及其内容。
1. 《催化基础》(Fundamentals of Catalysis)这本书是由James J. Carberry撰写的，主要涵盖了催化剂的基本原理和反应机理的介绍。
内容包括催化剂的种类、分类和特性，催化反应的热力学和动力学基础，催化剂的表征和评估方法等。
此外，书中还介绍了一些催化剂的工业应用案例，以及催化剂的设计和优化方法。
2. 《催化剂表征手册》(Handbook of Catalyst Characterization)这本手册由Rolf Prins和Bert M. Weckhuysen合著，主要介绍了常用的催化剂表征技术和方法。
内容包括催化剂的物理性质和化学性质的分析，如表面积测量、孔隙结构表征、表面活性测定、晶体结构分析等。
此外，书中还介绍了一些先进的催化剂表征技术，如透射电子显微镜(TEM)、高分辨电子能谱(HR-TEM)和原位傅里叶变换红外光谱(in situ FTIR)等。
3. 《催化剂设计与合成》(Catalyst Design and Synthesis)这本书由Wayne R. Steffen合著，主要介绍了催化剂的设计和合成方法。
内容包括催化剂的结构-活性关系和结构-选择性关系的研究方法，如高通量筛选技术、理论计算方法和自组装技术等。
此外，书中还介绍了一些常见的催化剂合成方法，如溶胶-凝胶法、沉淀法、共沉淀法等。
4. 《工业催化剂手册》(Handbook of Industrial Catalysts)这本手册由Lawrie L. Lloyd编辑，主要介绍了工业催化剂的应用和性能评估方法。
内容包括催化剂在关键工业领域的应用案例，如石化催化剂、汽车尾气催化剂、炼油催化剂等。
此外，书中还介绍了工业催化剂的开发和评估方法，如催化剂的长期稳定性测试、酸碱性能测定、寿命评估等。