工业催化

绪论

催化作用：是利用催化剂来加速(或减慢)化学反应速度的一种化学作用。

催化剂：一种能够改变化学反应速度，而它本身又不形成最终产物的物质。

催化科学：研究催化剂与催化过程的科学，涉及到物理、化学、材料等多类学科，是一门综合科学。

1. 催化科学的重要性

催化作用是现代工业极其重要的过程，是现代世界最重要的技术之一，如果没有催化作用，现在的生活将与我们实际所看到的截然不同。

大约90%的化学品与材料是借助催化作用通过分步反应生产出来的。

1960年Sohio (the Standard Oil Company of Ohio 俄亥俄标准石油公司) 开发成功磷钼铋氧系催化剂，由丙烯氨氧化生产丙烯腈时，原有的三种丙烯腈生产方法（环氧乙烷法、乙醛法、乙炔法）都变得不再有生命力

了，并且随着磷钼铋氧系丙烯氨氧化生产丙烯腈催化剂的不断改进及非磷系丙烯氨氧化生产丙烯腈催化剂的成功开发，使该法日益成熟。

丙烯腈是三大合成材料——合成纤维、合成橡胶、塑料的基本且重要的原料

2. 能源化工和环境化工的兴起，为工业催化提出了新课题和新

的研究领域。

能源化工：

目前能转化成燃料的碳源有以下三类：

原油及相关物质；煤炭；生物质。

它们的充分开发和利用有赖于催化剂。

催化燃烧是燃烧的最高境界。

与直接燃烧相比，催化燃烧温度较低，燃烧比较完全。催化燃烧为无焰燃烧，因此适用于安全性要求高的场合，如以H2和O2为原料的燃料电池、用汽油或酒精为原料的怀炉（催化剂为浸Pt石棉）等环境保护：造成大气污染的三个主要领域，都可通过催化技术加以控制：

（1）对于污染大气的可燃性气体，采用催化燃烧技术；

（2）对于工业装置排放的NO X气体，可将其催化还原为氮气；

（3）对于各种车辆用燃料排放气的控制。

３.新型能源

光催化分解水制氢气

４. 生物体内广泛存在的酶，是生物赖以生存的一切化学反应的催化剂。

酶的催化作用至今还难在生物体外实现：效率高，选择性好，反应条件温和。

今天对酶本身及对酶化学模拟的研究已成为催化研究中一个非常有吸引力的领域。

三、催化科学的形成与发展

催化是一种自然现象，早已在生物体中存在的现象。生物酶催化是生命的基础（在一个简单的生物细胞中约有3000个化学反应）。

真正意义的催化剂和催化过程的开发已经有二百多年的历史。第二章催化作用与催化剂

一、催化剂与催化作用的定义

能够加速某化学反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变的物质，称为催化剂；

催化剂的这种作用称为催化作用；

有催化剂参加的反应称为催化反应。

由于催化剂在反应前后性质保持不变，故反应终了时不改变反应体系的初终状态，不改变反应的平衡位置。

催化剂能够加速反应趋于热力学平衡点，是由于它为反应物分子提供了一条较易进行的反应途径。

无催化剂时，氮分子与氢分子经碰撞直接化合，500o C、常压时活化能为334.6 kJ/mol。

用熔铁作催化剂，反应活化能为70.0 kJ/mol

二、催化作用的特征

催化作用具有四个基本特征:

（1）催化剂只能加速热力学上可以进行的反应

（2）催化剂只能加速反应的进行，而不能改变平衡的位置（K f不变）；

4）催化剂有一定的寿命

催化剂虽然不进入产物，反应后又恢复自身性质；但在使用过程中长期经受循环催化作用、受热等，会发生一些不可逆的物理和化学变化（如晶相和分散度变化、易挥发份流失、熔融等），从而使活性下降，最终失活。

评价催化剂三个重要的指标：活性、选择性和稳定性

1、催化剂的组成

工业催化剂通常是由多种物质组成的，但一般有三类可区分的组分，即活性组分、载体、助催化剂。

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催化剂组分与功能的关系

1.活性组分

对某反应具有催化的化学活性，为主要成分。

目前，其选择虽然有一些理论的指导，但仍然是经验性的。

2.载体

是活性组分的分散剂、黏合物或支撑体，是负载活性组分的骨架。

主要作用是提供孔结构和高表面积，同时增大催化剂的强度。

活性物和助剂负载于载体上所得的催化剂，称为负载型催化剂。

载体的种类很多，有天然的也有人工的，可分为低比表面积和高比表面积两类。

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载体的结构和性能不仅关系到催化剂的活性和选择性，还关系到催化剂的热稳定性、机械强度及传递特性等，选择载体时必需弄清其结构、性质和其它功能。

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3.助催化剂

是催化剂的辅助成分，量较少。

助剂本身无活性或活性很小，加入之后可以改变催化剂的化学组成和结构，从而能提高催化剂的活性、选择性、稳定性或寿命。

助剂按作用机理的不同可分为结构型和电子型两类。

结构性助剂：通过对载体和活性组分的结构作用，主要是提高活性组分的分散性和稳定性；

电子型助剂：通过改变催化剂的电子结构，促进催化剂的选择性。例如，合成氨用的铁催化剂，通过加入少量的Al2O3使其活性提高，寿命大大延长。－－结构助剂

加人K2O使Fe原子的电子密度增加，提高其活性，所以K2O是电子型的助催化剂

常见的助催化剂及其功能

二、载体的功能

载体的功能主要有：

（1）提供有效的表面和适宜的孔结构，维持活性组分高度分散。

（2）增强催化剂的机械强度，使催化剂具有一定的形状和大小。

应根据催化剂的强度要求来选择合适强度的载体，粘结剂的加入可以补强。

（3）改善催化剂的热传导性能，以满足反应过程的传热要求。

（4）减少活性组分的用量，特别是贵金属的用量。

5）载体可提供附加活性。

载体一般不要求有催化活性，但是如为目的反应的活性则对反应有利。

（6）活性组分与载体之间的溢流现象和强相互作用，影响催化活性。

溢流现象：

指催化剂表面原有的活性中心经吸附产生出的一种活性物种迁移到另一相（载体）产生次级活性中心的现象。Image

溢流现象影响催化剂的活性和选择性。

强相互作用减弱了活性组分对反应物分子的吸附，从而影响到催化剂的活性和选择性。