固体催化剂的设计详解精选课件PPT
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把电子给与氧化物，所以在n型半导体上容易吸附。
p型半导体是带正电荷的空穴导电。O2在p型半导体上容易吸附， 因为需要从氧化物中得到电子，使O2变为O-，p型半导体的金属 离子易脱出电子而容易生成O-。
费米能级Ef是表示半导体中电子的平均能量。 脱出功，是把一个电子从半导体内部拉到外部变成自由电子时 所需的最低能量。从费米能级到导带顶的能量差即为脱出功。 本征半导体的费米能级在禁带中间；n型半导体的费米能级在施 主能级与导带底之间；p型半导体的费米能级在满带顶与受主能 级之间。
< Mo(III) < Rh(III) < Ir(III) < Re(IV) < Pt(IV) 配位体场强对Dq值的影响：CN- > NO2- > 乙二胺 > NH3 > NCS> H2O > OH- > F- > SCN- > Cl- > Br- > I-
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2.2 基于催化反应的经验规律
p型半导体：Cu2O、NiO、CoO等；
n型202半1/3/导2 体：ZnO、TiO2、MoO3、Fe2O3等。
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催化剂制备过程中引入杂质，在满带和空带之间出现新的能级。 如果新的能级靠近导带，其上的电子受热激发能够跃迁至导带， 成为n型导电。这样的能级称为施主能级。如新的能级更靠近满 带，由于其能够接受满带中跃迁来的价电子，成为p型导电。这 样的能级称为受主能级。
施主杂质提高费米能级，使脱出功变小；受主杂质降低费米能 级，使脱出功变大。p型半导体比n型半导体更易接受电子。
气体分子在表面的吸附也可以看成是增加一种杂质，以正离子 态被吸附的CH3+、C6H5+可以看作能给出电子的施主杂质；以 负离子形态吸附的O2-、O-等可接受电子的气体可看作是受主杂 质。
理论指出，对许多涉及氧的反应，p型半导体氧化物最活泼，绝
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2.3 基于反应物分子活化模式的考虑
1、H2的活化 在金属催化剂上，在-50C--100C下，可按照LH机理进行解离 吸附。解离后的原子H可在金属表面移动，可以对不饱和化合物 加氢。
在金属氧化物上，如Cr2O3、Co3O4、NiO、ZnO等，在400C 下经真空干燥除去表面氧化物的羟基，使金属离子暴露，常温
缘体次之，n型半导体氧化物最差。
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4、晶体场、配位场理论 晶体场理论认为中心离子的电子层结构在配位场的作用下，引 发轨道能级的分裂。在催化作用中，当一个质点 被吸附在表面 上形成表面复合物，则中心离子的d轨道在配位场的影响下会发 生分裂，分裂的情况与过渡金属离子的性质和配位体的性质有 关；同时，中心离子对配体也有影响。
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根据实验数据得出如下规律（Dq为d轨道在正八面体场中的分裂 能）：
1）同周期同价过渡金属离子的Dq值相差不大； 2）同一金属的三价离子比二价离子的Dq值大； 3）以同族同价离子比较，第三过渡序列 > 第二过渡序列 > 第 一过渡序列。
次序：Mn(II) < Co(II) < V(II) < Fe(III) < Cr(III) < Co(III) < Mn(IV)
第九章 固体催化剂设计
一、催化剂设计的总体考虑
催化剂设计：根据合理的程序和方法有效地利用未系统化的法
则、知识和经验，在时间上和经济上最有效的开发和制备新催
化剂的方法：
1）要进行热力学分析，指明反应的可行性，最大平衡产率和所
要求的最佳反应条件，催化剂的经济性和催化反应的经济性，
环境保护等；
2）分析催化剂设计参数的四要素：活性、选择性、稳定性/、
2、未成对电子数：过渡金属的不成对电子在化学吸附时，可与 被吸附分子形成吸附键。按能带理论，这是催化活性的根源。
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3、半导体费米能级和脱出功
由半导体的费米能级和脱出功来判断电子得失的能难易程度，
进而了解适合于何种反应。
半导体催化剂是使用很广泛的非化学计量的氧化物，非化学计
量往往是由杂质或缺陷所引起的。如：
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2.1 根据有关催化理论的参数进行考虑
1、d特性百分数：在成键轨道中d轨道占的百分率称为d特性百 分数。
金属的d特性百分数越大，表明电子留在d带中的百分数越多， 也就表明d带中空穴越少。 对化学吸附而言，催化反应要求吸附不能太强，也不能太弱。 金属的d特性百分数与其催化活性有一定关系。在金属加氢催化 剂中，d特性百分数在40%-50%之间为佳。如乙烯在各种金属 薄膜上的催化加氢，随d来自百度文库性百分数增加，加氢活性也增加， Rh > Pd > Pt > Ni > Fe > Ta。
下可使H2非解离吸附。 H-H -
Zn O
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2、O2的活化：非解离吸附（O2-形式参与表面过程）；解离吸 附（以O-和O2-形式参与表面过程）。
1、活性模型法：对于某一类催化反应或某一类型的催化反应研 究，常常得出不同催化剂所显示的活性呈现有规律的变化。
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2、从吸附热推断：在某些情况下，可以从吸附热的数据去推断 催化剂的活性。通常对反应分子具有中等强度吸附的固体表面 具有良好的催化活性。
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合成气制甲醇催化剂：ZnO-Cr2O3-CuO
丙烯氨氧化催化剂：MoO3-Bi2O3-P2O5/SiO2
丁烯氧化脱氢催化剂：P2O5-MoO3-Bi2O3/SiO2
二2甲021/苯3/2氧化制苯酐催化剂：V2O5-TiO2-K2O-P2O5/SiO2
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n型半导体是电子导电。H2、CO等还原性气体，在吸附时它们
再生性。
3）催化反应过程与催化剂化学性质有关；而传质传热则与物理
性质有关，要兼而顾之。
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二、催化剂主要组分的设计
一般而言，大多数固体催化剂由三部分组成：活性组分、助剂 和载体。 催化剂中主要组分就是指催化剂中最主要的活性组分，是催化 剂中产生活性、可活化反应分子的部分。 一般来说，只有催化剂的局部位置才产生活性，称为活性中心 或活性部位。 催化剂的非均匀性。 活性中心可以是原子、原子簇、离子、离子缺位等，但在反应 中活性中心的数目和结构往往发生变化。 主要组分的选择依据：1）根据有关催化理论归纳的参数；2） 基于催化反应的经验规律；3）基于活化模式的考虑。
p型半导体是带正电荷的空穴导电。O2在p型半导体上容易吸附， 因为需要从氧化物中得到电子，使O2变为O-，p型半导体的金属 离子易脱出电子而容易生成O-。
费米能级Ef是表示半导体中电子的平均能量。 脱出功，是把一个电子从半导体内部拉到外部变成自由电子时 所需的最低能量。从费米能级到导带顶的能量差即为脱出功。 本征半导体的费米能级在禁带中间；n型半导体的费米能级在施 主能级与导带底之间；p型半导体的费米能级在满带顶与受主能 级之间。
< Mo(III) < Rh(III) < Ir(III) < Re(IV) < Pt(IV) 配位体场强对Dq值的影响：CN- > NO2- > 乙二胺 > NH3 > NCS> H2O > OH- > F- > SCN- > Cl- > Br- > I-
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2.2 基于催化反应的经验规律
p型半导体：Cu2O、NiO、CoO等；
n型202半1/3/导2 体：ZnO、TiO2、MoO3、Fe2O3等。
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催化剂制备过程中引入杂质，在满带和空带之间出现新的能级。 如果新的能级靠近导带，其上的电子受热激发能够跃迁至导带， 成为n型导电。这样的能级称为施主能级。如新的能级更靠近满 带，由于其能够接受满带中跃迁来的价电子，成为p型导电。这 样的能级称为受主能级。
施主杂质提高费米能级，使脱出功变小；受主杂质降低费米能 级，使脱出功变大。p型半导体比n型半导体更易接受电子。
气体分子在表面的吸附也可以看成是增加一种杂质，以正离子 态被吸附的CH3+、C6H5+可以看作能给出电子的施主杂质；以 负离子形态吸附的O2-、O-等可接受电子的气体可看作是受主杂 质。
理论指出，对许多涉及氧的反应，p型半导体氧化物最活泼，绝
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2.3 基于反应物分子活化模式的考虑
1、H2的活化 在金属催化剂上，在-50C--100C下，可按照LH机理进行解离 吸附。解离后的原子H可在金属表面移动，可以对不饱和化合物 加氢。
在金属氧化物上，如Cr2O3、Co3O4、NiO、ZnO等，在400C 下经真空干燥除去表面氧化物的羟基，使金属离子暴露，常温
缘体次之，n型半导体氧化物最差。
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4、晶体场、配位场理论 晶体场理论认为中心离子的电子层结构在配位场的作用下，引 发轨道能级的分裂。在催化作用中，当一个质点 被吸附在表面 上形成表面复合物，则中心离子的d轨道在配位场的影响下会发 生分裂，分裂的情况与过渡金属离子的性质和配位体的性质有 关；同时，中心离子对配体也有影响。
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根据实验数据得出如下规律（Dq为d轨道在正八面体场中的分裂 能）：
1）同周期同价过渡金属离子的Dq值相差不大； 2）同一金属的三价离子比二价离子的Dq值大； 3）以同族同价离子比较，第三过渡序列 > 第二过渡序列 > 第 一过渡序列。
次序：Mn(II) < Co(II) < V(II) < Fe(III) < Cr(III) < Co(III) < Mn(IV)
第九章 固体催化剂设计
一、催化剂设计的总体考虑
催化剂设计：根据合理的程序和方法有效地利用未系统化的法
则、知识和经验，在时间上和经济上最有效的开发和制备新催
化剂的方法：
1）要进行热力学分析，指明反应的可行性，最大平衡产率和所
要求的最佳反应条件，催化剂的经济性和催化反应的经济性，
环境保护等；
2）分析催化剂设计参数的四要素：活性、选择性、稳定性/、
2、未成对电子数：过渡金属的不成对电子在化学吸附时，可与 被吸附分子形成吸附键。按能带理论，这是催化活性的根源。
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3、半导体费米能级和脱出功
由半导体的费米能级和脱出功来判断电子得失的能难易程度，
进而了解适合于何种反应。
半导体催化剂是使用很广泛的非化学计量的氧化物，非化学计
量往往是由杂质或缺陷所引起的。如：
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2.1 根据有关催化理论的参数进行考虑
1、d特性百分数：在成键轨道中d轨道占的百分率称为d特性百 分数。
金属的d特性百分数越大，表明电子留在d带中的百分数越多， 也就表明d带中空穴越少。 对化学吸附而言，催化反应要求吸附不能太强，也不能太弱。 金属的d特性百分数与其催化活性有一定关系。在金属加氢催化 剂中，d特性百分数在40%-50%之间为佳。如乙烯在各种金属 薄膜上的催化加氢，随d来自百度文库性百分数增加，加氢活性也增加， Rh > Pd > Pt > Ni > Fe > Ta。
下可使H2非解离吸附。 H-H -
Zn O
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2、O2的活化：非解离吸附（O2-形式参与表面过程）；解离吸 附（以O-和O2-形式参与表面过程）。
1、活性模型法：对于某一类催化反应或某一类型的催化反应研 究，常常得出不同催化剂所显示的活性呈现有规律的变化。
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2、从吸附热推断：在某些情况下，可以从吸附热的数据去推断 催化剂的活性。通常对反应分子具有中等强度吸附的固体表面 具有良好的催化活性。
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合成气制甲醇催化剂：ZnO-Cr2O3-CuO
丙烯氨氧化催化剂：MoO3-Bi2O3-P2O5/SiO2
丁烯氧化脱氢催化剂：P2O5-MoO3-Bi2O3/SiO2
二2甲021/苯3/2氧化制苯酐催化剂：V2O5-TiO2-K2O-P2O5/SiO2
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n型半导体是电子导电。H2、CO等还原性气体，在吸附时它们
再生性。
3）催化反应过程与催化剂化学性质有关；而传质传热则与物理
性质有关，要兼而顾之。
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二、催化剂主要组分的设计
一般而言，大多数固体催化剂由三部分组成：活性组分、助剂 和载体。 催化剂中主要组分就是指催化剂中最主要的活性组分，是催化 剂中产生活性、可活化反应分子的部分。 一般来说，只有催化剂的局部位置才产生活性，称为活性中心 或活性部位。 催化剂的非均匀性。 活性中心可以是原子、原子簇、离子、离子缺位等，但在反应 中活性中心的数目和结构往往发生变化。 主要组分的选择依据：1）根据有关催化理论归纳的参数；2） 基于催化反应的经验规律；3）基于活化模式的考虑。