催化材料导论 第八章
催化剂工程导论_大纲及思考题答案
催化剂课程教学内容及教学基本要求第一章工业催化剂概述本章重点催化若干术语和基本概念，难点催化剂的化学组成和物理结构。
第一节催化剂在国计民生中的作用本节要求了解催化剂在国计民生中的作用(考核概率5%)。
1 催化剂—化学工业的基石2 合成氨及合成甲醇催化剂3 催化剂与石油炼制及合成燃料工业4 基础无机化学工业用催化剂5 基本有机合成工业用催化剂6 三大合成材料工业用催化剂7 精细化工及专用化学品中的催化8 催化剂在生物化学工业中的应用9 催化剂在环境化学工业中的应用第二节催化若干术语和基本概念本节要求理解催化若干术语和基本概念(考核概率90%)，掌握催化剂的化学组成和物理结构(考核概率95%)。
1 催化剂和催化作用2 催化剂的基本特征3 催化剂的分类4 催化剂的化学组成和物理结构5 多相和均相催化剂的功能特点6 多相和均相催化剂的同一性7 新型催化剂展望第二章工业催化剂的制造方法本章重点是沉淀法和浸渍法，难点是催化剂的制备原理和技术要点。
第一节沉淀法本节要求理解沉淀法的分类(考核概率60%)，掌握沉淀操作的原理和技术要点(考核概率80%)，了解沉淀法催化剂制备实例(考核概率20%)。
1 沉淀法的分类2 沉淀操作的原理和技术要点3 沉淀法催化剂制备实例第二节浸渍法本节要求掌握各类浸渍法的原理和操作(考核概率80%)，了解浸渍法催化剂制备实例(考核概率20%)。
1 各类浸渍法的原理及操作2 浸渍法催化剂制备实例第三节混合法本节要求了解混合法制备催化剂（考核概率20%）第四节热熔融法本节要求了解热熔融法制备催化剂（考核概率20%）第五节离子交换法本节要求理解由无机离子交换剂制备催化剂，由离子交换树脂制备催化剂（考核概率40%）。
1 由无机离子交换剂制备催化剂。
2 由离子交换树脂制备催化剂。
第六节催化剂的成型本节要求了解催化剂成型工艺，几种重要的成型方法（考核概率20%）。
1 成型与成型工艺概述2 几种重要的成型方法第七节典型工业催化剂制备方法实例本节要求了解几种典型工业催化剂制备方法实例（考核概率20%）。
金属催化作用理论ppt课件.ppt
以Ni为例： Ni原子：1s22s22p63s23p64s23d84p
电子轨道没有任何相互作用
达到范德华（V.D.W）半径时，电 子轨道将要发生相互作用
RNi-Ni＜R2×VDW时，Ni原子之间将 要发生电子轨道相互作用，出现 电子轨道重叠，形成金属键。
1. 暴露表面以低表面能的晶面为主 surfaces of low surface free energy will
be more stable. The most stable surfaces are those with : • a high surface atom density • surface atoms of high coordination number
• 具体内容有：
Ⅰ、与d电子轨道有关的电子因素，即能 量因素如何影响催化剂的吸附选择性、吸附力 的强弱、催化性能等，即催化的电子论
Ⅱ、晶体结构因素（也称；几何因素）， 即（晶胞大小、晶面取向、晶粒大小、晶体表 面结构）与（吸附、催化）之间的关系，即催 化的几何论
§1、金属催化的电子论
能带理论、价键理论
1、晶胞 • 晶胞是晶体的最小重复单位，采用晶胞参数
来确定。
立方晶胞： a＝b＝c α＝β＝γ＝900
四方晶胞：a＝b≠c α＝β＝γ＝900
三斜晶胞：a≠b≠c α≠β≠γ
2、晶面 晶面：是晶体在各个方向上的截面。相同
方向的截面，不仅具有相同的二维空间结构， 而且是相互平行的，晶面间距也相等，称晶面 距。
④、 金属间化合物催化剂，如Cu3Au、 CuAu3、 Ni29Al10、 Ni15Al
• 过渡金属催化剂有二大特点： Ⅰ、在反应气氛如H2、O2气下，过渡金
催化材料概论1
催化剂材料基础
第四节 催化剂的评价
1
活性和选择性 寿 命
2
催化剂材料基础
一、活性和选择性
1. 数学评价方法 (1) 活性
aA bB cC
0 NA NA XA 100% 0 NA
a N A转化为某一产品的量 b B 100% yA 加入A的总量 NA
a NB b SB 0 100% NA NA
催化剂材料基础
三、机械混合
混合可以在任何的相间进行，可以是液—液混合、固— 固混合(干式混合)，也可以是液—固混合(湿式混合)。 例如，水凝胶与含水沉淀物的混合（湿混），含水沉淀 物与固体粉末的混合(湿混），多种固体粉末之间的混合 (干混）等等。
催化剂材料基础
四、离子交换法
离子交换剂是指载有可交换离子(即反离子)的不溶性固 态物质。 典型的阳离子交换过程： 2NaX(s) + CaCl2(aq) = CaX2(S) + 2NaCl(aq) 典型的阴离子交换过程： 2XCl(s) + Na2SO4(aq) = X2SO4(s) + 2NaCl(aq)
催化剂材料基础
一、活性和选择性
2. 常用反应器 (1) 流通式反应器 (2) 封闭式反应器 (3) 脉冲式反应器
催化剂材料基础
二、寿命
催化剂的寿命除了与催化剂的结构等客观因素有关外， 还与使用期间的客观因素变化有关。如，毒物出现，局 部过热，主催化剂的流失等。 延长催化剂寿命可通过下列方式进行：防止烧结，提 高熔点，防止积炭，除去反应物中的毒物等。
催化剂材料基础
五、总体设计
原则上，我们对所设计的催化剂至少有下述三方面的要 求： (1) 单位容积催化剂的活性和选择性愈高愈好。 (2) 催化剂的寿命(活性、选择性、机械强度能稳定保持 的时间)愈长愈好。 (3) 操作费用（主要是动力消耗)和建设投资(涉及催化 反应装置结构的复杂程度)愈低愈好。
催化导论讲义3
吸附热分类
吸附热效应产生过程
积分吸附热
一定温度下，在整个吸附 过程中，催化剂表面吸附 1mol气体所放出的热量
微分吸附热
一定温度下，催化剂 表面上吸附少量气体 所引起的热量变化 等量吸附热——吸附 量固定（即覆盖度一 定）的微分吸附热。
吸附键强
d ln K Q dT RT 2
van’t Hoff方程
吸附热与催化活性间有一定的关联
许多实验事实表明:
最好的催化活性与反应分子的中等吸附强度相当。
催 化 活 性
volcanic 火山型
四、吸附等温线
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
BET多层吸附理论
（2）诱导的表面不均匀性（induced surface heterogeneity） 假设：吸附剂表面上能量分布原先是均匀的，但吸附 物种之间的相互排斥作用会诱导产生表面不均匀性。
覆盖度的增大吸附物种之间相互排斥作用增强吸附键强 度减弱吸附热下降
四、吸附等温线
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
平衡吸附量：V=F(P,T) 吸附等温线讨论的是影响平衡吸附量的因素。 吸附等温式（线）——在等温条件下， 平衡吸附量与吸附压力或相对压力间的关系。 即V=F(P)T V=F(P/P0)T（吸附温度低于气体的临界温度）
其中， P0是在吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压。 吸附气体的量可以用气体的质量(mg)或气体在标准状态下 的体积(cm3)或mol数表示。
化学吸附与 V Kp 物理吸附 Vm 1 Kp
V kp
1/ n
电子材料导论(李言荣)习题参考答案
10. 比较金相显微镜和电子显微镜的工作原理。P40 答：光学显微镜分为： 反射式光学显微镜 和 透射式光学显微镜 两类。 电子显微镜分为： 透射电子显微镜 和 扫描电子显微镜 两类。 金相显微镜（反射式光学显微镜） ：利用样品中不同物质结构对入射光的反射本 领不同，以及不同晶面、晶界对光的散射能力不同来产生衬度，而观察表面的形 貌。 透射式光学显微镜：利用样品中不同成分或不同相的透光能力不同来产生衬度。 透射式电子显微镜：电子通过电磁透镜放大成像，原理与透射光学显微镜相似。 扫描电子显微镜： 扫描电子显微镜不通过透镜原理成像， 而是像电视机一样逐点 成像。电子束在样品的一定区域内逐点扫描，轰击出各种表面信息，转换为电信 号放大后在显像管中同步成像，就得到了样品测试区域内的信息分布。 11. 简述近代表面分析方法的基本原理和常用表面分析方法。P42 答： 近代表面分析方法的基本原理是： 用一定能量的某种射线或粒子束 （一次束） 去轰击固体表面后， 将产生的带有表面信息的射线或粒子束而进行能量和能量分 布的分析。 常用表面分析方法：能谱法、量子力学效应的显微技术。 研究表面原子排列和形貌的主要方法： 能谱法：低能、中能、高能电子衍射。 显微技术：透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描探针技术。 研究表面成分和化合态的方法 能普法：电子能谱（光电子能谱、俄歇电子能谱） 、离子能谱（离子散射谱、 二次离子质谱、溅射中性粒子谱） 12. 简述现代社会对电子材料有哪些要求？P46 答： ①结构和功能相结合 ②智能化 ③减少污染 ④节省能源 ⑤长寿命和可控寿命 13. 简述纳米材料的结构与性能的特性。P47+P48 答：纳米材料：是指材料中的颗粒尺寸处于纳米范围（2-10nm）的金属、合金、 金属间化合物、有机物或聚合物等材料。 纳米材料的结构：纳米材料颗粒直径为 2-10nm，其中原子数有 102-104 个，大概 有一半以上的原子位于表面和界面上，处于表面、界面的原子有较高的界面能， 活动性强、原子的排列方式跟晶态和非晶态都有明显不同，这种结构称为纳米结 构。 纳米材料的性能：表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效 应。 14. 什么是复合材料与功能梯度材料？P48 答：复合材料：是指由两种或两种以上的材料经过有关工艺过程之后而形成的一
催化材料导论知识点总结
催化材料导论知识点总结
催化材料导论是一门涉及催化科学和工程领域的综合性课程，其知识点涵盖了催化作用的基本原理、催化剂的设计与制备、催化反应动力学和机理、催化反应的工程问题等多个方面。
以下是催化材料导论的一些重要知识点总结:
1.催化作用的基本原理:催化作用是指通过催化剂降低化学反应的活化能，从而加速反应速率并提高反应效率的过程。
其中，催化剂是一种能够改变化学反应速率但不改变反应总能量变化的物质。
2.催化剂的设计与制备:催化剂的设计与制备是催化科学和工程领域中的重要技术之一。
催化剂的性能受到制备方法和工艺条件的影响，因此需要综台考虑各种因素，如活性组分、载体、制备方法和工艺条件等。
3.催化反应动力学和机理:催化反应动力学和机理是催化科学和工程领域中的重要研究方向之一。
通过研究催化反应的动力学和机理。
可以深入了解反应过程和机理，从而优化催化剂的性能。
4.催化反应的工程问题:催化反应的工程问题包括反应器的设计、操作和优化等方面。
反应器的设计需要考虑催化剂的装填、反应物料的流动和传热等方面，操作和优化需要考虑温度、压力、浓度等工艺条件的影响。
5. 工业催化过程:工业催化过程是指在实际生产中应用的催化过程，如石油化工、煤化工、环境保护等领域。
工业催化过程需要考虑实际生产中的各种因素，如设备、安全、环保等方面。
以上是催化材料导论的一些重要知识点总结，通过深入学习和理解这些知识点。
可以更好地掌握催化科学和工程领域的基础理论和实际应用，为未来的研究和开发工作打下坚实的基础。
材料科学导论习题解答
材料科学导论作业第一章材料科学概论1.氧化铝既牢固又坚硬而且耐磨，为什么不用来制造榔头？[答]因为Al2O3的耐震性不佳，且脆性较高，不适合做榔头的材料。
2.将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜、氯化钠、环氧树脂、混凝土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅-锡焊料、橡胶、纸杯[答]金属有黄铜、铅-锡焊料、镁合金。
陶瓷有氯化钠、碳化硅。
聚合物有环氧树脂、橡胶、沥青、纸杯。
复合材料有混凝土、玻璃钢。
3.下列用品选材时，哪些力学性能和物理性能具有特别重要性：汽车曲柄轴、电灯泡灯丝、剪刀、汽车挡风玻璃、电视机荧光屏[答]汽车曲柄轴的疲劳寿命最为重要。
电灯泡灯丝的熔点需高，其发光性能要强。
剪刀的刀刃的硬度要强。
汽车挡风玻璃的光的穿透性要强。
电视机荧光屏光学的颜色及其他穿透性各种光学特性极重要。
4. 什么是纳米材料？纳米材料有哪些效应？请举例说明。
[答] 通常把粒子尺寸小于0.1μm（10nm）的颗粒称为纳米材料纳米材料有以下效应：⑴小尺寸效应⑵表面效应⑶量子尺寸效应⑷宏观量子隧道效应举例略第二章原子结构1.原子序数为12的Mg有三个同位素：78.70%的Mg原子有12个中子，10.13%的Mg原子有13个中子，11.17%的Mg原子有14个中子，计算Mg的原子量。
[答]M = 0.7870×(12+12)+0.1013×(12+13)+0.1117×(12+14) = 24.3247 g/mol2.试计算原子N壳层内的最大电子数，若K、L、M和N壳层中所有的能级都被填满，试确定该原子的原子序数。
[答]N壳层内最大电子数为2×42= 32。
但考虑能级交错：N壳层内刚刚达到最大电子数时的电子排布为：1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f14，该原子的原子数为70。
(本题目书上原解：N壳层中电子最多有2+6+10+14 = 32个，K、L、M、N壳层中电子共有2+8+18+32 = 60个，故原子序数为60。
催化作用与催化剂PPT课件
• 载体关系到催化剂的活性、选择性、热稳定性、 机械强度，也关系到催化过程的传质特性。
载体的功能
1、提供有效的表面和合适的孔结构； 2、增强催化剂的机械强度； 3、改善催化剂的热稳定性； 4、减少活性组分的含量； 5、提供附加的活性中心； 6、与活性组分之间的溢流现象和强相互作
反应物
催化剂对反应具有选择性
-实例
催化剂及反应条件
产物
CO+H2
Rh/Pt/SiO2，573K，7×105Pa Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K, 1.0133×107～ 2.0266×107Pa
Rh络合物,473～573K, 5.0665×107～ 3.0399×108Pa
Cu,Zn,493K, 3×106Pa
合成氨的反应中，铁系催化剂可以单独作为主催化 剂，已成功工业化数十年，近年的研究证明，使用 Mo-Fe合金更好，合金中Mo含量在80%时其活性比 单独的Fe或Mo都高，这里Mo就是主催化剂，而Fe反 倒成了共催化剂
助催化剂(promoter)
• 助催化剂是加到催化剂中的少量物质 （<5~10%) ，是催化剂的辅助成分，本身没有 催化活性或活性很小。
本章主要内容
1
催化作用的定义
2
催化作用的特征
3
催化剂的组成
催化剂分类 4
催化剂的反应性性能及对工业催
5
化剂的要求
1
催化作用的定义
Catalysis: 1835~1836年，瑞典学者J.J.Berzelius提出，“cata” 意思是“down”,而“lysis”为动词，意思是分裂或者破坏，当时认 为:“一种催化剂是破坏阻碍化学反应进行的正常力。
催化剂工程导论课件
Байду номын сангаас
• 剂开发者的配方优化问题。
•
⑵在催化剂CAD设计中，神经元网络
更能客观地反映各组分的协同交互作用，
更适于处理复杂体系的催化剂。
•
⑶在相对有限的制备和评价实验基础
上，神经元网络可以模拟和替代部分的“
计算机试验”工作，以减少人工试验的强
度和时间，提高催化剂开发效率。
13
• 用于催化剂CAD设计的人工神经元网络 技术， 具体的过程可以分为以下步骤：
• ⑴进行基础试验，考评各种催化剂体系 的结果，从中择一个合适的体系进行神经 元网络辅助设计；
9
• ⑵将所选择的催化剂体系的试验数据进行 整理，分析各活性组分对反应结果的大致 影响，判别是否需要补充试验点。
• ⑶将试验数据作为神经网络的学习样本， 根据网络的收敛速度和学习速度来选择合 适的网络结构模型。这个网络模型实际上 相当于能够定量化的体系中的建模过程。 ⑷选择有代表性的数据作为神经元网络的 训练集和测试集，对网络进行训练和测试， 如果测试结果不能满足要求，则返回(3) 重新选择网络，直至满意为止。
•
CATDB Cat.设计数据库
3
•
NIST (美国国家标准与技术研究所)化学
动力学数据库，收集了1906年以来的基元反应
动力学方面的数据。
•
CATDB Cat.设计数据库，日本国家工业化
学实验室桑原靖等人开发，由一个事实数据库
和几个应用程序组成。
• (二) 专家系统
• 目的： 能使计算机具有人类专家那样解决问题 的“思维”能力，依靠大量的专门知识(往往存 贮于数据库中)以解决特定领域中的复杂问题。
10
• ⑸将训练好的网络作为描述催化反应体系 的模型和优化计算的目标函数文件，建立 优化程序；该过程中必须严格限制优化的 范围。
催化作用导论氧化还原型催化剂及其催化作用PPT学习教案
用这种模型，原则上可以解释金属表面的化
学吸附。不仅如此，它还能解释不同晶面之间化
学活性的差别；不同金属间的模式差别和合金效
应。如吸附热随覆盖度增加而下降，最满意的解
释是吸附位的非均一性，这与定域键合模型的观
点一致。Fe催化剂的不同晶面对NH3 合成的活性
不同，如以[110]晶面的活性为1，则[100]晶面的
能级密度（N（E））：单位能量间隔中拥有的精
细能级的数目。
由量子力学计算知：
能级的宽度：s带 > p带 > d带；
能带拥有能级数：s带 < p带 < d带；
所以，d能带的能级密度大。
（2）金属的满带与空带之间是连续的，没有能量间隙。
价带和导带间能量也是连续的。
第11页/共109页
满带电子受激跑到空带，满带中形成空穴，且
所谓d %是指在成键轨道(包括空轨道)中，d
轨道所占的百分数。
d％愈大，成键轨道中占用原来的d轨道多，
就有可能使d空穴减少。
第15页/共109页
一些过渡金属的d空穴和d%
第16页/共109页
例如，Ni原子有两种杂化轨道：
2 3
d
s
p d
占
＝
2
/6
＝
0
.3
3
N
i-A
3
d
4
s
4
p
3 2
d
s
p d
占
＝
吸附热变化不大，它们对
气体的吸附强度适中，常
做催化剂用
第30页/共109页
。
3、火山型曲线
化学吸附热的大小表征着吸附键的强弱。吸附热
催化剂导论共34页PPT
催化剂导论
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
催化导论讲义-zlh3
催化原理导论
第一章、催化作用基本原理
§1.3 吸附与催化 (第一讲)
催化科学与工程系
一、吸附对催化的意义
催化剂只有能够化学吸附反应物（接触），才能起催化 作用。
如： 合成氨催化剂通过化学吸附N2和H2降低反应活化能
表征催化表面结构、酸碱量或强度、金属分散度和孔隙 结构。
如： 低温氮气吸脱附测定催化剂的比表面积和孔隙分布
（三）吸附
化学吸附态
离解吸附：CH4 M M
MM CH3 H
H2 M M M M HH
（三）吸附
化学吸附态
缔合吸附：
C2H4 M M
H2C CH2
MM
C6H6 nM
nM
～1950cm-1 ～2050cm-1.
（三）吸附
化学吸附态
缔合吸附
离解吸附
（三）吸附
化学吸附态
氧在M上的吸附态
氧在MOX上的吸附态
Cs
Ch
滞流层
其中:
DE------外扩散系数 Ch------均匀气流层中反应物浓度 Cs ------反应物在催化剂颗粒外表面处的浓度
（一）外扩散
传质因子jD——流体与催化剂颗粒之间的物质传递关系
jD 0.57(N )Re 0.41
其中:
50<NRe<10
00
NRe = (2R)G/为颗粒雷诺准数，R是粒径(cm)，G线性质量流率
高， 在高温下（高于气体的液化点）
需要：活化吸附，吸附速率慢； 不需要：非活化吸附，吸附快。
明显
单层
慢/难达到
可逆 不可逆
电子状态的变化 弱
明显
（三）吸附
物理与化学吸附
催化剂工程导论复习提纲PDF.pdf
催化剂工程导论复习提纲PDF.pdf1、1976年国际纯粹及应用化学协会分布的催化作用的定义是什么？要求深刻理解其含义。
答:催化作用是一种化学作用，是靠用量极少而本身不被消耗的一种叫做催化剂的外加物质来加速化学反应的现象。
2、什么是催化剂的基本特征？答:(1)催化剂能加速化学反应速率，但本身并不进入化学反应的计量。
(2)催化剂对反应具有选择性，即催化剂对反应类型、反应方向和产物的结构具有选择性。
(3)催化剂只能加速热力学上可能进行的化学反应，而不能加速热力学上无法进行的反应。
(4)催化剂只能改变化学反应的速率，催化剂只能改变(或接近)这一极限所需要的时间，而不能改变这一极限的大小。
(5)催化剂不改变化学平衡，意味对正方向有效的催化剂，对反方向也有效。
(对于任一可逆反应，催化剂既能正反应，也能同样程度地加速逆反应，这样才能使其化学平衡常数保持不变，因此某催化剂如果是某可逆反应的正反应的催化剂，必然也是其逆反应的催化剂。
)(6)寿命(催化剂的使用期限是有限的)。
3、根据聚集状态，如何对催化剂进行分类？答:(气体)、(液体)、(固体)。
4、按工艺和工程特点如何对催化剂进行分类？答:多相固体催化剂、均相催化剂和酶催化剂三类。
5、主催化剂的定义是什么？答:主催化剂是起催化作用的根本性物质。
没有它，就不存在催化作用。
6、共催化剂的定义是什么？答:共催化剂是和主催化剂同时起作用的组分。
7、助催化剂的定义是什么？答: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。
虽然助催化剂本身并无活性，但只要在催化剂中添加少量助催化剂，即可明显达到催化剂性能的目的。
8、助催化剂可分为哪几类？答:(1)结构助催化剂(2)电子助催化剂(3)晶格缺陷助催化剂。
9、载体的定义是什么？(了解)答:载体是固体催化剂所特有的组分，起增大表面积、提高耐热性和机械强度的作用，有时还能担当共催化剂或助催化剂角色载体是活性组分的分散剂、胶粘剂或支载物。
自考催化剂工程导论复习提纲完整
绪论一、催化剂和催化作用IUPAC 1976定义：催化作用是靠用量很少而本身不被消耗的一种叫做催化剂的外加物质来加速化学反应的现象。
催化剂是一种能够改变化学反应的速率，而本身又不参加最终反应的物质二、催化剂的基本特性1 •催化剂能够加快化学反应速率，但本身并不进入化学反应的计量。
2•催化剂对反应具有选择性，即催化剂对反应类型、反应方向和产物结构具有选择性。
3•催化剂只能加速热力学上可能进行的化学反应，而不能加速热力学上无法进行的反应。
4.催化剂只能改变化学反应的速率，而不能改变化学平衡的位置。
5•催化剂不改变化学平衡，意味着对正方向有效的催化剂对反方向也有效。
三、催化剂的分类1.根据聚集状态分类固体，液体，气体均相催化反应定义：当催化剂和反应物形成均一相时（气相均相催化反应：气体分子热分解反应；液相均相催化反应：碱催化的水解反应）多相催化反应定义：当催化剂和反应物处于不同相时（催化剂多为固体）2 •根据化学键分类金属键、等极键、离子键、配位键、金属键3•按元素周期律分类主族元素、过渡元素5.按工艺与工程特点分类（以组成结构、性能差异和工艺工程特点为依据）分为多相固体催化剂，均相配合物催化剂，和酶催化剂等三大类。
四、催化剂的化学组成和物理结构1 •多相固体催化剂（使用比例最高）（1 ）主催化剂（活性组分）是起催化作用的根本性物质（2 ）共催化剂是能和主催化剂同时起作用的组分（3 ）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。
助催化剂本身无活性。
①结构助催化剂：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。
②电子助催化剂：通过改变主催化剂的电子结构提高活性和稳定性。
③晶格缺陷助催化剂：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。
②和③合称为调变性助催化剂（4）载体是固体催化剂所特有的组分，起增大表面积，提高耐热性和机械强度的作用，有时还担当共催化剂或助催化剂的角色。
纳米材料导论
第4页，共165页。
单质碳纳米材料的分类
富勒烯，或巴基球（C50 、 C60 、C70、C76、 C80、C82、C84、C90、C94等）
• 原子可按链型、环形、网状等互相形成各类结构碳材料
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石墨及其结构
o石墨的结构早在1917年就已经被 Debye, Scherrer, Grimm, Otto, 和Bernal等 人标定证明了。
o石墨的基本组成单元为石墨烯
（graphene）
o在石墨烯中，每个碳原子都占据 一个六边形的顶角。由于sp2 杂化，
万吨，现保有储量万吨。
世界：著名产地：纽约Ticonderoga，马达加斯加和Ceylon，我 国以黑龙江鸡西市柳毛为最大的产地。
人造石墨，也就是特种石墨。按其成型的方式可分为以下几种。
❖ 等静压石墨。
❖ 模压石墨
❖ 挤压石墨，多为电极材料。
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石墨的物理性质
1) 耐高温型：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，石墨强度随温度提高而 加强。热膨胀系数也很小。
碳纳米管（单壁，多壁）
洋葱碳及其相关结构
纳米金刚石
金刚石薄膜
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碳的同素异性体
碳的同素异形体“相”图
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碳纳米材料的结构和化学键
存在各种形态的原因——化学
键
• 碳原子的核外电子层结构: 1s22s22p2 • 可能的三种杂化形式：sp、sp2和sp3（spn杂化） • 以共价键方式结合：单键, 双键和叁键
催化导论
拉曼光谱是以单色光照射至物质时，物 质分子发生散射现象，出现与入射光频率不 同的散射光所形成的光谱。因为散射辐射的 频移通常是不连续的振动光量子，所以，拉 曼光谱和红外光谱一样能提供有关分子结构 的信息。在低频区，因为红外光不能透过吸 附剂，因此拉曼光谱能使我们检测到一般用 红外光谱观察不到的低频振动。
可以鉴别吸附物种的结构特性，而基团物 种的位移可以探测出表面键的性质，并并 探测出分子的键合相对与被吸附分子的变 化。对于吸附分子的红外光谱来说，识别 基团频率是非常重要的，可由基团频率分 析得到相当完整的结构信息。当吸附影响 基团内部成键时，这种基团频率会受到影 响，产生红移或蓝移，根据基团频率的位 移可以探测出表面键的性质，并可以探测 出分子的键合对于被吸附分子的变化。
对于原子序数z<30的元素，可观察到2个 很好分开的能谱峰，分别与K电子和L电子相 对应;对于z＝30一70的元素，将看到L1,L11和 L1113个峰;而z>70的元素，将会有和M及N 电子对应的更复杂的能谱峰出现。不同的分 子结构和外界化学或物理环境的某些变化也 会影响内层电子束缚能的改变，即相应的能 谱峰可能发生移动，这种效应称化学位移， 据此可以有效地了解分子中原子成键状态。 X射线光电子能谱可以测定固体表面1 nm一 10 nm的所有成分，并提供和各成分化学状 态相关的信息。
• 表征催化剂以及了解其在催化表征中的作
用，是开发新的催化剂必不可少的步骤。
• 为了研究反应机理，需要对动力学分析辅
以微观信息，这些信息包括活性中心的性 质、中间化合物的结构反应性、中毒物质 等。获得这些信息需要波谱学方法。常用 的波谱方法有：红外光谱、拉曼光谱、核 磁共振核X光电子能谱。
第二节：红外光谱
有机分子与表面的键合具有低频性质， 在催化剂不透明区产生吸收，很难用红外光 谱检测，这种键也可能是不完全的离子键， 因此，对于有机分子的检测，拉曼光谱比红 外光谱更合适。拉曼光谱用来补充红外光谱 的不足，用来研究不适合用红外进行研究的 催化课题，可用于对催化剂体相结构、表面 结构、吸附中心和吸附物种结构的研究。
催化科学导论第二章
3.5 固体酸中心的催化作用
乙醇脱水制乙烯（L酸催化）
异丙苯裂化(B酸催化）
固体酸的催化反应机理
烷烃分子活化的链断裂方式
第四种为最可能途径
证据一：C3, C4 > C1, C2 断裂
证据二：裂化速度，异构烷烃 > 正构烷烃 正碳离子稳定性：伯 < 仲 < 叔
负碳离子稳定性：伯 > 仲 > 叔
第二章 酸碱催化
气
均 相 催 化
均相酸碱
配位络合催化 自由基链反应的催化引发
液
催 化 作 用
固
多 相 催 化
气
均 相 催 化
均相酸碱
配位络合催化 自由基链反应的催化引发 uv O3 + O = 2O2 uv CF2Cl2 → CF2Cl• + •Cl
液
催 化 作 用
固
多 相 催 化
Cl• + O3 → ClO• + O2 ClO• + O → Cl• + O2 •Cl O3 + O = 2O2
特殊酸碱催化
特殊酸碱催化作用 二丙酮醇的碱催化水解
体系中只有质子与其溶剂化离子 才对反应起催化作用
rds
特殊酸碱催化
水溶液中酸碱催化反应中速率常数与pH值的关系 酸形态：H3O+, H2O 碱形态： H2O, OH-
另：如何判定一般或特殊酸碱催化？
酸解离常数与催化系数的对应关系
Brnsted关系
A型沸石单胞骨架
八面沸石晶体骨架
阳离子的落位 钠 铈
丝光沸石的骨架结构
菱沸石类的骨架结构
沸石分子筛的择形催化作用 例：正二十二烷在毛沸石上的裂解
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NO2-。
催化剂材料基础
一．中性条件下的PTC反应
2. 氧化反应
催化剂材料基础
一．中性条件下的PTC反应
催化剂材料基础
一．中性条件下的PTC反应
3. 安息香缩合反应
催化剂材料基础
二．碱性条件下的PTC反应
1. 二氯卡宾的产生及其反应
图8-5 二氯卡宾的生成
催化剂材料基础
二．碱性条件下的PTC反应
机合成到无机合成，从液相反应到干反应，从室温合成到
高温高压合成，从聚合反应到解聚反应等均有研究报道。
催化剂材料基础
Thank you
催化剂材料基础
表8-1 含不同负离子的四正丁基铵的提取常数值（水/氯仿） 负离子 提取常数 Cl0.78 Br19.5 I1023 ClO43020 NO324.5
多电荷负离子的提取常数一般小于少电荷负离子，例如： E(H2PO4-) > E(HPO42-) > E（PO43-） E(HSO4-) > E(SO42-)
一．PTC 反应机理
1.鎓盐作为相转移催化剂(PTC) , 它在水相及有机相中 均有一定溶解度, 可按Starks 描述的反应机理进行。
催化剂材料基础
一．PTC 反应机理
2. 鎓盐阳离子的亲脂性较强时, 其催化机理为：
催化剂材料基础
一．PTC 反应机理
3. 有许多有机反应需要强碱以产生活性阴离子来完成各 种转化反应。
催化剂材料基础
二．碱性条件下的PTC反应
4. 酰化
催化剂材料基础
二．碱性条件下的PTC反应
5. 芳基亲核取代
催化剂材料基础
三．酸性条件下的PTC反应
有关在酸性条件下进行的PTC反应，典型的有一级醇直接 转变成氯代烷及醚键的断裂等。
催化剂材料基础
四．相转移催化技术研究进展
1. 超声波技术在相转移催化反应中的应用 超声波化学的研究已经扩展到化学的每一个领域, 已经成 为一个极为重要和异常活跃的研究方向。 2. 相转移催化与微波技术的联用 微波化学合成技术在国际上的研究十分活跃，国内外从有
(1)二氯卡宾与烯烃的反应
(2)二氯卡宾与芳环的反应
催化剂材料基础
二．碱性条件下的PTC反应
(3)二氯卡宾与不含碳碳重键的化合物的反应 (a) 二氯卡宾的插入反应（二氯卡宾插入C-H间）
(b) 二氯卡宾与醇反应
催化剂材料基础
二．碱性条件下的PTC反应
(c) 二氯卡宾与胺反应
催化剂材料基础
二．碱性条件下的PTC反应
催化剂材料基础
三．PTC反应条件的选择
2. 取代基团的影响 3. 溶剂
催化剂材料基础
四．逆相转移催化
逆相转移催化的机理为：在互不相溶的两相体系中，亲 油物质（通常为阳离子）与逆相转移催化剂（IPTC）形 成离子对，不断地从有机相传递到水相，在水相中与疏
水的反应物进行反应，反应产物则大部分进入有机相[3]。
催化剂材料基础
二．常用的相转移催化剂
1．鎓盐类 2．冠醚类 3．其他相转移催化剂 4．三相催化剂
催化剂材料基础
二．常用的相转移催化剂
图8-1 几种冠醚及冠醚离子对的化学结构
催化剂材料基础
二．常用的相转移催化剂
图8-2 三相相转移催化剂的化学结构
催化剂材料基础
三．PTC反应条件的选择
1. 含不同负离子的四级铵盐
催化剂材料基础
第八章 相转移催化剂
催化剂材料基础
第八章 相转移催化剂
8.1 PTC 反应类型概述
8.2 相转移催化剂在有机合成中的应用
催化剂材料基础
第一节 PTC 反应类型概述
1 2 3 4 5
PTC 反应机理 常用的相转移催化剂
PTC反应条件的选择
逆相转移催化 反应控制相转移催化
催化剂材料基础
图8-3 相转移催化过程示意图
催化剂材料基础
四．逆相转移催化
（a）N-氧化吡啶的逆相转移催化过程
催化剂材料基础
四．逆相转移催化
(b) β -环糊精的逆相转移催化过程
催化剂材料基础
四．逆相转移催化
(c) 一些水溶性杯芳烃的化学结构式
催化剂材料基础
四．逆相转移催化
(d) 水溶性钯配合物催化下苄基卤化物的羰基化 图8-4 逆相转移催化过程
(d) 二氯卡宾与酰胺反应
催化剂材料基础
二．碱性条件下的PTC反应
2. 碳烃基化反应 (1) 取代乙腈的烃基化
催化剂材料基础
二．碱性条件下的PTC反应
(2) 醛、酮、酯、砜的烃基化
催化剂材料基础
二．碱性条件下的PTC反应
(3) 酸性碳氢化合物的烃基化
催化剂材料基础
二．碱性条件下的PTC反应
3. 氮烃基化反应
催化剂材料基础
五．反应控制相转移催化
2001 年，Xi 等[8]设计并发明了一种新的催化体系。该 催化剂本身不溶于反应介质中，但在反应物 A 的作用下， 催化剂会形成溶于反应介质的活性组分，均相地与反应
物 B 进行反应, 高选择性地生成产物 C。
图8-5 磷钨杂多酸催化丙烯环氧化制备环氧丙烷
催化剂材料基础
第二节 相转移催化剂在有机合成中 的应用
1 2 3
中性条件下的PTC反应
碱性条件下的PTC反应 酸性条件下的PTC反应 相转移催化技术研究进展
4
催化剂材料基础
一．中性条件下的PTC反应
1. 脂肪族的亲核取代反应 RX + Y- → RY + XX- = Cl-、Br-、I-、CH3SO3- 等，Y- = F-、Cl-、CN-、