第三章催化剂的表征
催化剂的表征方法
催化剂的表征⽅法催化剂的表征⽅法之核磁共振法催化剂的表征就是应⽤近代物理⽅法和实验技术，对催化剂的表⾯及体相结构进⾏研究，并将它们与催化剂的性质、性能进⾏关联，探讨催化材料的宏观性质与微观结构之间的关系，加深对催化材料的本质的了解。
近代物理⽅法主要包括：X射线衍射技术、⾊谱技术、热分析析技术、电⼦显微技术、光谱技术、低电⼦能谱、穆斯堡尔谱等……1 近代物理⽅法简介1.1 对催化剂的组成分析（体相）化学分析（CA：Chemical Analysis）⽤于Pt，Pd，Rh等贵⾦属分析;原⼦吸收光谱（AAS）;X射线荧光光谱（XRF）;电感耦合等离⼦体光谱（ICP）.1.2 组成分析（表⾯）射线光电⼦能谱(XPSX);俄歇电⼦能谱（AES）.分析深度：AES < XPS（表⾯10个原⼦层，<3 nm）。
灵敏度：AES >XPS（分析取样量在微克级。
释谱：XPS 释谱和数据分析容易，应⽤更⼴。
1.3 物相性质（结构）多晶X射线衍射(XRD)——最普遍、最经典的物相性质鉴定⼿段。
反映长程有序度，但对于⾼分散物相不适⽤.傅⾥叶变换红外光谱(FT-IR)——许多⽆机物固体在中红外区(400-4000cm-1)有振动吸收，反映短程有序度.拉曼光谱（RAM,拉曼散射效应）——拉曼光谱与红外光谱都能得到分⼦振动和转动光谱，但分⼦的极化率改变时才会产⽣拉曼活性，⽽红外光谱是偶极矩变化时有红外活性，因此两者有⼀定程度的互补性。
紫外可见光谱(UV-vis)——电⼦光谱, 是由分⼦外层电⼦或价电⼦吸收⼀定能量的光跃迁所产⽣的, 给出样品结构的信息.核磁共振技术(NMR)——适⽤于含有核磁距的组元，如1H、13C、31P、27Al、29Si.1.4 形貌扫描电⼦显微镜（SEM）:分辨率为6-10nm ，放⼤倍数为2万倍.透射电⼦显微镜（TEM）:分辨率为0.1～0.2nm，放⼤倍数为⼏万～百万倍.原⼦⼒显微镜（AFM）:可达到原⼦级分辨率.1.5 负载相（⾦属）的分散度化学吸附（Chemisorp）：从吸附量、吸附热的⾓度提供信息；多晶X射线衍射（XRD）：从分散相的物相性质⾓度提供信息；透射电镜（TEM）：直接观察粒⼦⼤⼩和数⽬.对于研究⾦属负载型催化剂的制备、⽼化、烧结、中毒、以及反应动⼒学有重要意义。
催化剂的表征
催化剂的表征催化剂是一种能够加速化学反应速率的物质，常用于工业生产和实验室研究中。
催化剂的表征是为了了解其物理和化学性质，从而更好地理解其催化性能和反应机理。
催化剂的表征可以通过多种技术手段进行，下面将介绍几种常见的催化剂表征方法。
一、催化剂的物理性质表征催化剂的物理性质表征主要包括表面积、孔结构和晶体结构等方面。
表面积是指催化剂单位质量或体积的活性表面积，可通过比表面积测定仪等设备进行测量。
孔结构是指催化剂内部的孔隙结构，包括孔径、孔体积和孔壁厚度等参数。
常用的孔结构表征方法有氮气吸附-脱附法和压汞法。
晶体结构是指催化剂中晶体的排列方式和晶格参数，可以通过X射线衍射和透射电子显微镜等技术进行表征。
二、催化剂的化学性质表征催化剂的化学性质表征主要包括化学成分、表面酸碱性质和表面活性位点等方面。
化学成分是指催化剂中元素和化合物的组成，可以通过X射线能谱分析、傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱等技术进行分析。
表面酸碱性质是指催化剂表面的酸碱性质及其强度，可以通过酸碱滴定法、NH3和CO2吸附等方法进行表征。
表面活性位点是指催化剂表面上对反应物吸附和反应发生的活性位点，可以通过吸附取代法、化学计量法和原位傅里叶变换红外光谱等技术进行研究。
三、催化剂的微观结构表征催化剂的微观结构表征主要包括催化剂颗粒形貌、催化剂与反应物的相互作用和催化剂的还原性等方面。
催化剂颗粒形貌可以通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜等技术进行观察和分析。
催化剂与反应物的相互作用可以通过吸附实验、漫反射红外光谱和核磁共振等技术进行研究。
催化剂的还原性是指催化剂在还原条件下的还原反应性能，可以通过程序升温还原和原位X射线吸收精细结构等技术进行表征。
四、催化剂的性能评价催化剂的性能评价是指对催化剂进行活性、选择性和稳定性等方面的评价。
活性是指催化剂对反应物转化的能力，可以通过活性测试和动力学模型进行评价。
选择性是指催化剂在多个可能反应路径中选择某一种反应路径的能力，可以通过选择性测试和反应机理研究进行评价。
第3章 催化剂性能的评价、测试和表征
一般说，催化剂表面积越大，其上所含的 活性中心越多，催化剂的活性也越高。
Hale Waihona Puke BET方法测量固体表面积BET理论模型：多分子层物理吸附模型，假设(1)固体表面是 均匀的；(2)分子之间没有相互作用；(3)分子可以同时在固体 表面进行多层物理吸附，而且每一层的吸附和脱附之间存在动 态平衡。
1. 表面积的测定
3.2.4 评价与动力学试样的流程和方法
选择适宜的催化反应器，最普遍使用的为管式反 应器 采用流动法测定催化剂的反应动力学，必须排除 内、外扩散的影响，且在反应区间的高温区进行 催化剂在反应器中呈均匀密堆积
反应管直径和催化剂颗粒直径之比一般为6-12之 间，避免反应气体的轴向和径向离散及沟流发生
FR
循环泵
尾气流速及 组分分析装置
B 反应器 ci A ci,f
F0ci ,0 FR ci , f ( F0 FR )ci
1 1 ci ( )ci , 0 ( )ci , f 1 FR / F0 1 F0 / FR
FR / F0循环比
FR / F0 1, ci ci , f
但催化剂表面活性随催化剂表面积增加而提高的关系仅出现在
活性组分均匀分布的情况下。而大多数情况下： 1、催化剂制备过程中活性组分可能不是均匀的分布； 2、催化剂微孔的存在可能影响到传质过程，使表面不能充分 利用； 3、有时催化剂的活性表现是由于反应机理不同，而与表面积 无关。如杂多酸催化剂的还原反应： 以异丁酸(IBA)还原时，遵循体相 还原机理，还原速率正比于催化 剂的重量； 以甲基丙稀醛(MLA)还原时，遵循 表面还原机理，还原速率与催化剂 表面积成正比。
催化剂的颗粒度一般用平均粒径和颗粒度分布来表示。金属晶粒 在载体上的分布及大小，强烈影响金属组分的催化性质。如Pt/C 催化剂催化2,3-二甲基丁烷的脱氢。
催化剂的表征与性能评价
催化剂的表征与性能评价催化剂的表征和性能评价是研究催化剂特性和性能的重要组成部分。
通过对催化剂进行表征和评价，我们能够了解其物理和化学性质，进而优化催化剂的合成和设计过程，提高其催化性能。
本文将介绍几种常见的催化剂表征方法和性能评价指标。
一、表征方法1. X射线衍射(XRD)XRD是一种常用的催化剂表征方法，通过射线与晶体相互作用而产生衍射图样，可以得到催化剂晶体结构、晶格常数等信息。
XRD可以帮助我们确定催化剂的晶体相、相纯度以及晶体尺寸等参数，进而推断其催化性能。
2. 透射电子显微镜(TEM)TEM可以观察催化剂的微观形貌和晶体结构，对于了解催化剂的微观结构和局域化学环境具有重要意义。
通过TEM可以获得催化剂粒子的形貌、粒径以及分布情况等信息，这些信息对于理解催化剂活性和选择性具有重要的指导作用。
3. 扫描电子显微镜(SEM)SEM能够观察催化剂的表面形貌和粒子分布情况，通过SEM可以了解催化剂的表面形貌、粒子形状和大小分布等特征。
这些信息对催化剂的反应活性和稳定性具有重要影响。
4. 紫外可见吸收光谱(UV-vis)UV-vis光谱可以帮助我们了解催化剂的电子结构和吸收性能。
通过UV-vis光谱可以获得催化剂的能带结构、价带和导带等信息，进一步推断其电子传输性能和催化活性。
二、性能评价指标1. 催化活性催化活性是评价催化剂性能的重要指标之一。
通过测定反应物的转化率、产物的选择性和产率等参数，可以评价催化剂的活性。
活性的高低决定了催化剂的实际应用性能。
2. 催化稳定性催化稳定性是衡量催化剂寿命和循环使用性能的重要指标。
通过长时间反应的实验，观察催化剂的活性变化情况，评估其稳定性。
催化剂的稳定性直接影响其在实际工业生产中的应用前景。
3. 表面酸碱性催化剂的表面酸碱性是其催化性能的重要基础。
通过吸附剂和探针分子等的测试，可以评估催化剂的酸碱性。
催化剂的酸碱性对于催化反应的催化活性和选择性具有直接的影响。
催化剂表征的主要内容
催化剂表征的主要内容
催化剂表征是指对催化剂进行结构、组成、表面性质等方面的分析和评价，以更好地了解催化剂的性能和活性。
主要内容包括：
1.化学成分和元素分析：
•使用技术如X射线荧光光谱（XRF）或原子吸收光谱
（AAS）等，来确定催化剂中的元素含量。
2.结构表征：
•X射线衍射（XRD）：用于确定催化剂中晶体结构的方法。
•电子显微镜（SEM/TEM）：提供催化剂表面形貌和粒子大小等信息。
•扫描隧道电子显微镜（STEM）：对催化剂表面原子级结构进行高分辨率成像。
•傅里叶变换红外光谱（FT-IR）：用于检测表面吸附物质和官能团。
3.表面化学性质：
•X射线光电子能谱（XPS）：提供元素的化学状态、电荷状态和表面组成信息。
•傅里叶变换红外光谱（FT-IR）：表面吸附物质的化学键信息。
4.比表面积和孔隙结构：
•比表面积分析（BET）：用于测定催化剂的比表面积。
•孔径分布分析（BJH）：用于测定催化剂孔隙大小和分布。
5.催化剂活性和选择性：
•实验室反应器：通过模拟实际催化反应条件来评估催化剂性能。
•动力学研究：考察催化剂对反应速率的影响。
6.稳定性和寿命评估：
•循环实验：考察催化剂在多次使用后的性能变化。
•寿命测试：对催化剂在长时间内的稳定性进行评估。
这些表征方法的选择取决于催化剂的类型、应用以及研究的具体目的。
通过综合这些表征手段，研究人员可以更全面地了解催化剂的性质，有助于优化催化剂设计和提高催化活性。
【大学】催化剂性能的评价、测试和表征
三、催化剂的宏观物理性质测定
工业催化剂或载体是具有发达孔系和一定内外表面的颗粒集合体。 若干晶粒聚集为大小不一的微米级颗粒(Particle)。实际成形催化剂的颗 粒或二次
粒子间，堆积形成的孔隙与 晶粒内和晶粒间微孔，构成 该粒团的孔系结构(图3-5)。 若干颗粒又可堆积成球、条、 锭片、微球粉体等不同几何 外形的颗粒集合体，即粒团 (Pelet)。晶粒和颗粒间连接 方式、接触点键合力以及接 触配位数等则决定了粒团的 抗破碎和磨损性能。
18
.
3.3.4.1催化剂比表面积的测定 催化剂比表面积指单位质量多孔物质内外表面积的总和，单位为m2/g。 有时也简称比表面。 对于多孔的催化剂或载体，通常需要测定比表面的两种数值。一种 是总的比表面，另一种是活性比表面。 常用的测定总比表面积的方法有：BET法和色谱法，测定活性比表面 的方法有化学吸附法和色谱法等。 1.BET法测单一比表面 经典的BET法，基于理想吸附（或称兰格缪尔吸附）的物理模型。假 定固体表面上各个吸附位置从
一般而言，衡量一个工业催化剂的质量与 效率，集中起来是活性、选择性和使用寿命
这三项综合指标。
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活性
指催化剂的效能(改变化学反应速度能力)的高低， 是任何催化剂最重要的性能指标。
选择性
用来衡量催化剂抑制副反应能力的大小。 这是有机催化反应中一个尤其值得注意的性能指标。
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机械强度
即催化剂抗拒外力作用而不致发生破坏的能力。 强度是任何固体催化剂的一项主要性能指标， 它也是催化剂其他性能赖以发挥的基础。
表征：常着眼于从综合的角度研讨工业催化剂各种物 理的、化学的以及物理化学的诸性能间的内在联系 和规律性，尤其是着眼于催化剂的活性、选择性、 稳定性等与其物理和物理化学性质问本质上的内在 联系和规律性。
催化剂的表征
催化剂的表征
催化剂的表征包括以下方面：
1.孔结构：包括孔径和孔体积，分别表示催化剂平均孔径的大小和单位质量催化剂所有细孔体积的总和。
2.表面积：由于催化反应是在催化剂表面上进行，表面积对分散催化剂活性组分起重要作用，它与催化剂活性密切相关。
3.酸性：酸性是加氢裂化催化剂的重要性质，它关系到催化剂的裂解活性，是决定催化剂反应温度的关键因素，还影响产品分布。
4.金属分散和活性相结构：要使较少的金属发挥更高的活性，使催化剂上的金属组分尽量分散得好，促使多生成加氢活性相。
5.其它表征：对加氢裂化催化剂还要测定其它化学组成和杂质的含量,通常采用化学分析、X光衍射、X光荧光、原子吸收光谱等。
请注意，催化剂的表征方法可能因具体催化剂种类和应用场景的不同而有所差异。
如果您需要了解特定催化剂的表征方法，建议查阅相关文献或联系专业人员获取更准确的信息。
催化剂性能的评价
工业催化剂的性质，包括化学性质及物理性质。在催化剂化学组成与 结构确定的情况下，催化剂的性能与寿命，决定于构成催化剂的颗粒-孔系 的“宏观物理性质”，因此对其进行测定与表征，对开发催化剂的意义是 不言而喻的。
3.3.1颗粒直径及粒径分布 狭义的催化剂颗粒直径系指成型粒团的尺寸。单颗粒的催化剂粒度用 粒径表示，又称颗粒直径。负载型催化剂所负载的金属或化合物粒子是晶 粒或两次粒子，它们的尺寸符合颗粒度的正常定义。均匀球形颗粒的粒径 就是球直径，非球形不规则颗粒粒径用各种测量技术测得的“等效球直径” 表示，成型后粒团的非球不规则粒径用“当量直径”表示
13
测量粒径1nm以上的粒度分析技术，最简单最原始的是用标推筛进 行的筛分法。除筛分外，有光学显微镜、重力沉降-扬析法、沉降光透法 及光衍射法等。粒径1nm以下的颗粒，受测量下限的限制，往往造成误差 偏大，故上述各种技术或方法不适用，应当用电子显微镜、离子沉降光散 射等新方法。
3.3.2机械强度测定 机械强度是任何工程材料的最基础性质。由于催化剂形状各异，使 用条件不同，难于以一种通用指标表征催化剂普遍适用的机械性能，这是 固体催化剂材料与金属或高分子材料等不同之处。 催化剂的机械强度是固体催化剂一项重要的性能指标。
用最广。
三、催化剂的宏观物理性质测定
工业催化剂或载体是具有发达孔系和一定内外表面的颗粒集合体。 若干晶粒聚集为大小不一的微米级颗粒(Particle)。实际成形催化剂的颗粒 或二次
粒子间，堆积形成的孔隙与 晶粒内和晶粒间微孔，构成 该粒团的孔系结构(图3-5)。 若干颗粒又可堆积成球、条、 锭片、微球粉体等不同几何 外形的颗粒集合体，即粒团 (Pelet)。晶粒和颗粒间连接 方式、接触点键合力以及接 触配位数等则决定了粒团的 抗破碎和磨损性能。
催化剂的表征与评估方法
催化剂的表征与评估方法催化剂是许多化学反应中不可或缺的重要组成部分。
为了有效评估和优化催化剂的性能，科学家们开发出了各种表征方法和评估技术。
本文将介绍一些常用的催化剂表征与评估方法。
一、物理表征方法1. 扫描电子显微镜（SEM）：通过SEM可以观察到催化剂的形貌和颗粒尺寸分布，从而评估催化剂的活性表面积。
2. 透射电子显微镜（TEM）：TEM可以提供催化剂的高分辨率图像，从而观察到催化剂的晶体结构、晶粒大小以及形貌等信息。
3. X射线衍射（XRD）：XRD可以用于分析催化剂的晶体结构和晶格参数，通过峰位和峰形分析可以确定催化剂的相态以及晶粒尺寸。
4. 紫外可见光谱（UV-Vis）：这种表征方法可以通过测量催化剂在紫外和可见光区域的吸收光谱，来确定催化剂的电子结构和电荷转移过程。
二、化学表征方法1. X射线光电子能谱（XPS）：通过XPS可以得到催化剂表面原子的电子能级和化学态，从而揭示催化剂的表面组成和表面反应活性位点。
2. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：FTIR可以用于表征涂覆在催化剂表面的吸附物，例如吸附气体、表面中间体等。
3. 原位质谱（MS）：通过质谱可以检测催化剂表面产生的化学物质，从而揭示催化剂的反应机制和活性物种。
三、催化活性评估方法1. 反应动力学：通过测量催化剂在给定反应条件下的反应速率，可以评估催化剂的活性和选择性。
2. 表面酸碱性：催化剂表面的酸碱性质对于某些反应过程至关重要，通过表征催化剂表面酸碱性，可以评估催化剂的活性和稳定性。
3. 比表面积测量：催化剂的活性表面积与其性能密切相关，通过测量催化剂的比表面积，可以评估催化剂的催化效果和稳定性。
4. 催化剂寿命评估：对于长期稳定性评估，科学家们通常会对催化剂进行寿命测试，以模拟实际工业条件下的使用情况。
总结：催化剂的表征与评估方法多种多样，上述仅为其中一部分常用方法。
综合利用这些表征和评估技术，可以更全面、准确地了解催化剂的性能和反应机制，进而指导催化剂的设计与改进。
催化剂工程导论3催化剂性能的评价与表征
（4）收率
R = 反反应应物物AA已起转始化的的物物质质量量（（moml）ol）X 100%
（5）单程收率
Y=
生成目的产物的物质量（mol） 起始反应物的物质量（mol）
X
100%
Y =XS
活性的表达方式及相关参数
催化活性在理论研究中经常采用： 转换频率（Turnover frequency）： 指单位时间内每个催化活性中心上发生反应的次 数。作为真正催化活性的一个基本度量。
防止由于实验条件选择不当埋没好催化剂
了解反应机理，找到薄弱环节，有助于改进催化剂和换代 开发新催化剂。
第二节 动力学研究的意义和作用
化学反应动力学是研究一个化学物种转化为 另一个化学物种的速率和机理的分支科学。 机理：达成所论反应中各基元步骤发生的序 列。
第二节 动力学研究的意义和作用
第三节 实验室反应器
与工业反应器的区别 设计目的 — 解耦 设计三项要求 是催化剂评价和动力测定装置的核心
积分反应器
实验室常用固定床管式反应器，转化率高，进口和出口 物料组成差异大，沿床层有大的温度梯度和浓度梯度， 获得速率数据只能转化率对时空的积分结果，故定名为 积分反应器。
分类： 恒温和绝热 获得恒温：减小管径、用恒温导热介质和用惰性物质稀 释催化剂
催化剂工程导论
Catalyst Engineering Introduction
催化剂性能的评价、测试和表征
第一节 概述
活性： 指催化剂的效能（改变化学反应速度能力）的高低，是任 何催化剂最重要的性能指标
选择性：衡量催化剂抑制副反应能力的大小。
寿命： 指催化剂在使用条件下，维持一定活性水平的时间（单程 寿命）或每次活性下降后经再生而又恢复到许可活性水平 的累计时间（总寿命）。
催化剂的宏观物性及表征
A. 表面积测定原理 测定比表面积的方法很多，常用的是吸附法: 化学吸附法:化学吸附法是通过吸附质对多组份固体催化剂进行 选择吸附而测定各组份的表面积。
3.1.1催化剂的比表面积
物理吸附法: 通过吸附质对多孔物质进行非选择性吸附来测定比 表面积。物理吸附方法是基于Brunaucr-Emmett-Teller提出的 多层吸附理论，即BET公式
P 1 C 1 P * V ( P0 P) VM C VM C P0
其中v为吸附量，P为吸附平衡时的压力，P0为吸附气体在给定 温度下的饱和蒸气压，VM为表面形成单分子层的饱和吸附量， C为与吸附热有关的常数。此等温式被公认为测定固体表面积的 标准方法。 可以看出，求比表面的关键，是用实验测出不同相对压力P／P0 所对应的一组平衡吸附体积，然后将P／V (P—P0)对P／P0图， 可得到直线，直线的截距是1／VMC, 斜率是(C—1)／VmC，此
)3
BET公式中的吸附体积可以用容量法及重量法来测定。容量 法是一种经典测定方法，它是根据吸附前后吸附系统中气体体 积的改变来计算吸附量，即测定已进入装置的气体体积与平衡 时残留在空间的气体体积之差，从而求得吸附量。该BET装置 是一套复杂的真空吸附装置，而且经常接触水银，操作和计算 繁琐，一般实验误差约为10%。重量法和容量法相类似，固体 的吸附量是在改变压力下，由石英弹簧秤吊挂的样品因吸附前 后重量变化所引起弹簧长度变化直接表示出来，然后按上述
M M 堆 V堆 V隙 V孔 V真
3.1.3 催化剂的孔结构参数与孔的简化模型
B) 颗粒密度 颗粒密度为单粒催化剂的质量与其几何体积之比。实际测量 时，取一定堆体积V堆的催化剂扣除催化剂颗粒之间的空隙V隙, M 得到颗粒密度为
催化剂的宏观物性及表征
P 1 C 1 P * V ( P0 P) VM C VM C P0
其中v为吸附量，P为吸附平衡时的压力，P0为吸附气体在给定 温度下的饱和蒸气压，VM为表面形成单分子层的饱和吸附量， C为与吸附热有关的常数。此等温式被公认为测定固体表面积的 标准方法。 可以看出，求比表面的关键，是用实验测出不同相对压力P／P0 所对应的一组平衡吸附体积，然后将P／V (P—P0)对P／P0图， 可得到直线，直线的截距是1／VMC, 斜率是(C—1)／VmC，此
A. 表面积测定原理 测定比表面积的方法很多，常用的是吸附法: 化学吸附法:化学吸附法是通过吸附质对多组份固体催化剂进行 选择吸附而测定各组份的表面积。
3.1.1催化剂的比表面积
物理吸附法: 通过吸附质对多孔物质进行非选择性吸附来测定比 表面积。物理吸附方法是基于Brunaucr-Emmett-Teller提出的 多层吸附理论，即BET公式
3.1.1催化剂的比表面积
如果一个催化剂在连续使用后，活性的降低比表面积的降低严 重得多，这时可推测是催化剂中毒所致。如果活性伴随表面积 的降低而降低，可能是由于催化剂热烧结而失去活性。表面积 的测定也可用于估计载体和助剂的作用。如在甲醇制甲醛所用 的Ag催化剂中加入少量氧化钼，甲醛的产率就会提高。表面积 的测量结果表明，加入氧化钼前后的比表面积没有差别，因此， 可以认为氧化钼的存在改变了银的表面性质，使脱氢反应容易 进行，因而活性增加。 2）表面积的测定
3.1.1催化剂的比表面积
这时再注入一定体积的纯N2 气，便有标准峰出现，按一 般色谱定量方法进行校正， 就可计算得到在此N2分压下 样品的吸附量。改变N2 、He
的组成就可测出几个不同N2
分压下的吸附量．用BET公 式作图并计算表面积。
化学技术中的催化剂表征与分析
化学技术中的催化剂表征与分析催化剂，作为化学反应的关键，在化学技术领域发挥着重要的作用。
催化剂表征与分析是研究催化剂性质和反应机理的重要手段，对于提高催化剂效能和开发新型催化剂具有重要意义。
一、催化剂表征的基本原理催化剂表征主要通过物理和化学性质的分析来了解催化剂的组成和结构，从而揭示催化剂的活性中心和特性。
1. 物理性质分析：包括催化剂的表面积、孔隙结构和晶型分析等。
表面积是催化剂活性的重要指标，通常通过比表面积测定仪器（如BET）来测量。
孔隙结构可以通过气体吸附分析（如BJH法）得到，有助于了解催化剂的传质性质。
晶型分析则可以通过X射线衍射仪（XRD）来进行，可以了解催化剂的晶体结构和晶相组成。
2. 化学性质分析：主要包括催化剂的化学组成、表面酸碱性和氧化还原性分析等。
化学组成可以通过元素分析仪和质谱仪等来确定。
表面酸碱性可以通过酸碱滴定、红外光谱和X射线光电子能谱（XPS）等方法来研究。
氧化还原性则通常通过氢气程序升温还原（H2-TPR）和程序升温氧化（TPO）等技术进行。
二、催化剂表征方法的发展随着科学技术的不断进步，催化剂表征方法也得到了极大的发展。
近年来，一些新的表征方法和技术得到了广泛应用。
1. 原位/原子尺度表征：传统的催化剂表征方法大多是在室温下进行的，难以揭示催化剂在反应条件下的真实性质。
原位表征通过在催化反应条件下对催化剂进行分析，可以获取催化剂的动态行为，如催化剂的结构变化和活性中心的形成。
原子尺度表征则可以将催化剂的结构和反应活性的空间分辨率提高到原子尺度，如透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）等。
2. 表面增强拉曼光谱（SERS）：SERS是一种利用表面等离子体共振效应增强的拉曼光谱技术。
它通过将催化剂置于银或金等金属纳米颗粒上进行测量，可以提高拉曼光谱的灵敏度，从而得到更多的结构信息，如催化剂表面的吸附物种、分子结构和化学键的状态等。
三、催化剂分析技术的应用催化剂表征与分析技术在催化领域的应用非常广泛，对于催化剂的表征、设计和优化起着重要作用。
催化剂表征方法
催化剂表征方法催化剂是许多化学反应中必不可少的物质，它们可以加速反应速率并降低反应温度。
因此，催化剂的表征方法也是极为重要的。
本文将介绍几种常见的催化剂表征方法。
1. X射线衍射X射线衍射是一种常用的催化剂表征方法，它可以用于确定催化剂的晶体结构和晶体学参数。
通过将X射线射入催化剂样品，并测量X射线在样品中的散射，可以得到催化剂的晶体结构信息。
X射线衍射还可以用于研究催化剂的物相和晶体学性质。
2. 红外光谱红外光谱可以用于研究催化剂表面的化学键和官能团。
通过将红外光线射入催化剂样品，并测量样品中红外光谱的吸收率，可以得到催化剂表面的化学键和官能团信息。
红外光谱还可以用于研究催化剂表面吸附的分子和反应产物。
3. 傅里叶变换红外光谱傅里叶变换红外光谱是一种红外光谱的改进版，它可以提高谱图分辨率和信噪比。
通过将傅里叶变换红外光线射入催化剂样品，并测量样品中的光谱，可以得到催化剂表面的化学键和官能团信息。
傅里叶变换红外光谱还可以用于研究催化剂表面吸附的分子和反应产物。
4. X射线吸收近边结构X射线吸收近边结构是一种用于研究催化剂的电子结构和元素价态的方法。
通过将X射线射入催化剂样品，并测量样品中的吸收近边结构，可以得到催化剂中各元素的价态和电子结构信息。
X射线吸收近边结构还可以用于研究催化剂表面吸附的分子和反应产物。
5. 氮气吸附-脱附氮气吸附-脱附是一种用于研究催化剂孔隙结构和比表面积的方法。
通过将氮气吸附到催化剂样品中，并测量吸附和脱附氮气的体积，可以得到催化剂的孔隙结构和比表面积信息。
氮气吸附-脱附还可以用于研究催化剂表面吸附的分子和反应产物。
催化剂表征方法多种多样，每种方法都有各自的特点和适用范围。
在实际研究中，需要根据具体的催化剂和研究目的选择合适的表征方法，以获得更准确和全面的信息。
催化剂的表面积、孔容、孔结构
假设催化剂总面积为S，则 S si
i0
令吸附气体的总体积为V，则 V V0isi V0 isi
i0
i0
其中，V0为单位表面积催化剂吸附单层分子气体的体积。
V Vm
isi
i0
si
i0
其中，Vm = V0S，为催化剂表面吸附一单层分子所需的气体
体积。
第三章 催化剂某些宏观结构 参量的表征
一、催化剂的表面积
一般说，催化剂表面积越大， 其上所含的活性中心越多，催 化剂的活性也越高。
但催化剂表面活性随催化剂表面积增加而提高的关系仅出现在 活性组分均匀分布的情况下。而大多数情况下： 1、催化剂制备过程中活性组分可能不是均匀的分布； 2、催化剂微孔的存在可能影响到传质过程，使表面不能充分 利用； 3、有时催化剂的活性表现是由于反应机理不同，而与表面积 无关。如杂多酸催化剂的还原反应： 以异丁酸(IBA)还原时，遵循体相 还原机理，还原速率正比于催化 剂的重量； 以甲基丙稀醛(MLA)还原时，遵循 表面还原机理，还原速率与催化剂 表面积成正比。
V Vm
cs0 ixi
i0
s0 (1 c xi )
cx (1 x)(1 x cx)
i0
x = 1时，V = 。当吸附质压力为饱和蒸气压时，即P = P0，将 发生凝聚，V = 。因此，x = 1与P = P0相对应，故x = P/P0，
V
c(P / P0 )
Vm (1 P )(1 (c 1) P )
通常采用气体吸附法测定中等孔范围的孔分布，汞孔度计法测定 大孔范围的孔分布。 (1) 气体吸附法：根据毛细管凝聚原理，从等温吸附实验得到的 吸附体积和相对压力数据，原则上，可以应用Kelvin方程求得与 相对压力相应的孔径，进而求出孔径分布。 实际凝聚过程: (1)吸附时，细孔内壁上先形成吸附膜，此膜厚度 随相对压力增加变化，仅当吸附质压力增加到一定值时，才在由 吸附膜围成的空腔内发生凝聚。即吸附质压力值与发生凝聚的空 腔的大小一一对应。(2)脱附时，降低压力，大孔内的凝聚液首 先蒸发，在孔壁上留有吸附膜；再降低压力，次大孔内的凝聚液 蒸发，孔壁上留有吸附膜，但同时大孔孔壁上的吸附膜变薄。所 以压力降低造成的脱附量由两部分组成：与压力改变相应的空腔 内凝聚液的蒸发和孔壁吸附膜的厚度减小。
催化剂的制备和表征
催化剂的制备和表征催化剂在化学工业中具有非常重要的作用，它们能够加速化学反应的发生，提高反应的转化率和选择性，从而降低生产成本，提高产率。
催化剂的制备和表征是研究催化剂性能的关键环节，下面我将从这两个方面来分别介绍。
一、催化剂的制备催化剂的制备方式非常多样化，常用的方法包括溶胶-凝胶法、共沉淀法、物理混合法、离子交换法、水热法等等。
这些方法的选择取决于催化剂所需的性质和工业应用的实际需求。
其中，溶胶-凝胶法是一种制备催化剂的重要方法。
这种方法通过溶胶形成的凝胶相应合成所需的催化剂。
凝胶法具有成本低、样品稳定等特点，适用于制备各种金属氧化物、混合氧化物和金属酸碱型催化剂等。
共沉淀法也是制备催化剂的一种常用方法，它能够制备多种金属氧化物、负载型催化剂等。
共沉淀法可同时合成纳米晶体催化剂，具有颗粒分散度好、晶格结构良好的优点。
另外，物理混合法是将两种或多种催化剂材料物理混合而成的新材料。
该方法制备简便，但是混合效果难以保证，因此对催化剂的性能控制较为困难。
催化剂的制备方法选择需要考虑催化剂的性质和工业应用的实际需求，并具体问题具体分析、因材施教。
二、催化剂的表征在催化剂研究中，催化剂的表征是非常重要的环节。
它能够揭示催化剂的物化性质，分析催化剂对化学反应的影响及性能变化的原因，以指导后续的催化剂设计和制备。
常用的催化剂表征方法包括X射线衍射、BET比表面法、透射电子显微镜、扫描电子显微镜及傅里叶变换红外光谱等。
X射线衍射是一种非常重要的催化剂表征方法，它能够分析催化剂晶体结构、晶格参数和催化剂中物质的分布等信息。
BET比表面法主要用于测量催化剂比表面积，透射电子显微镜和扫描电子显微镜则主要用于催化剂的形貌分析。
傅里叶变换红外光谱主要用于分析催化剂表面吸附物种的化学键信息。
这些表征方法可以从不同角度揭示催化剂的物理和化学性质。
具体选择哪种表征方法，需综合考虑催化剂的性质和研究需求。
总结：催化剂是化工领域中不可或缺的东西，其制备和表征是核心所在。
催化作用基础第三章 催化剂某些宏观结构参量的表征
第三章催化剂某些宏观结构参量的表征催化剂的活性、选择性和稳定性等不仅取决于催化剂的化学结构，而且也受催化剂的宏观结构的影响．表征此种宏观结构的某些参量是催化剂的表面积、孔隙率、孔分布、活性组分晶粒大小及分布等．以下分别加以介绍[1]．一、催化剂的表面积因为多相催化反应是发生在催化剂表面上，一般说，催化剂表面积愈大，其上所含有的活性中心愈多，因而催化剂的活性也愈高．丁烷在铬-铝在催化剂上脱氢就是一个很好的例子，丁烷转化率与表面积几乎成直线关系，如图3.1.图3.1 丁烷在铬-铝上脱氢活性与比表面的关系为了提高催化剂的活性，人们常常设法提高催化剂的表面积，如采用将活性组分负载在具有大表面积的载体上、造孔等方法. 但是这种关系仅仅出现在活性组分均匀分布的情况下，平时并不十分多见. 因为通常我们测得的表面积都是总表面积，而活性表面积仅是其中很少的一部分. 由于在制备过程中活性组分可能不是均匀的分布，另外，微孔的存在可能影响到传质，使表面不能充分利用（后面将详细讨论这种影响. 有时由于反应机理不同, 与表面积无关，如，杂多酸催化剂（N a H PM o O）的还原反应[9]，看图3.2. 以异丁酸（IBA）还原时，表面x3-x1240形成的电子和质子与体相迅速交换，速率代表了体相还原速率，正比于催化剂的重量. 以异丁醛（MAL）还原时，表面氧离子被异丁醛氧化消耗，体相氧向表面传递是一个慢过程，仅表面被还原，还原速率与催化剂的表面积成正比. 两者表现完全不同.图3.2 还原模式. IBA（体相型），MAL（表面型）表面积是催化剂性质表征的重要指标之一，其测定对催化剂的研究也具有重要的意义．人们可以利用测得的表面积获得催化活性中心、催化剂失活、助剂和载体的作用等方面的信息.催化剂的表面可分为内表面与外表面两种．当催化剂是非孔的，它的表面可看成是外表面，颗粒愈细，比表面积愈大．当催化剂是多孔性的，它的表面有内、外的区别．内表面是指它的细孔的内壁，其余部分为其外表面，孔径愈小，数目愈多时比表面积愈大．在这种情况下，总表面积主要由内表面所提供，外表面可忽略不计．（一）表面积的测定既然催化剂的表面积对其活性有重要影响，人们自然要关心催化剂的表面积状况，这就需要测定催化剂的表面积．测定表面积有许多方法，如气体吸附法，X射线小角度衍射法，直接测量法等．不同的样品采用不同的方法．通用的方法是气体吸附法。
催化剂表征
催化剂表征引言催化剂是在化学反应中增加反应速率的物质。
为了充分发挥催化剂的作用，需要对催化剂进行表征。
催化剂表征的目的是了解催化剂的结构、物理化学性质以及与反应活性之间的关系。
本文将介绍几种主要的催化剂表征方法。
1. X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种常用的催化剂表征技术。
通过将X射线照射到催化剂样品上，利用样品中晶体的结构对X射线的衍射进行分析，可以得到催化剂的晶体结构信息。
XRD可以提供催化剂晶格常数、晶体结构等信息，通过解析衍射峰可以确定催化剂中物理相的种类和含量。
2. 扫描电子显微镜（SEM）SEM是一种高分辨率的催化剂表征技术。
通过扫描电子束照射催化剂样品的表面，利用样品表面的反射电子产生的信号得到图像，可以获得催化剂表面形貌和颗粒大小等信息。
SEM 还可以配合能谱仪对催化剂中元素的分布进行分析，从而了解催化剂中元素的分布情况。
3. 透射电子显微镜（TEM）TEM是一种高分辨率的催化剂表征技术，可以提供催化剂的原子尺度信息。
通过电子束透射催化剂样品，利用样品中的原子对电子的散射进行分析，可以获得催化剂的晶体结构和晶格缺陷等信息。
TEM可以观察催化剂颗粒的形貌、尺寸以及晶体结构，并且可以通过电子能谱对催化剂中元素的分布进行分析。
4. 氨气物理吸附（BET）BET法是一种常用的催化剂表征技术，用于表征催化剂的比表面积。
通过在低温下将催化剂暴露在氨气中，利用氨气物理吸附的原理测定催化剂的吸附量，得到催化剂的比表面积。
BET法可以评估催化剂的孔隙结构和活性组分的分散性。
5. 程序升温还原（TPR）TPR是一种表征催化剂还原特性的技术。
通过加热催化剂样品，在还原气氛中观察其还原的温度和程度，可以了解催化剂还原的性质和活性组分的状态。
TPR可以评估催化剂的还原能力和还原峰的数量、位置和形状，以及还原过程中的反应动力学参数。
结论催化剂表征是对催化剂进行结构和性质分析的重要手段，可以为催化剂的设计、合成和应用提供有力的支持。
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颗粒密度由汞密度计测定；骨架密度用氦比重计 测定；床层密度测定：在体积适当的锥形量筒中 ，逐步加入催化剂，在加入的间隔拍打量筒使之 装载至一定体积，然后换算。
3.1.3 担载金属—金属的表面积、分 散度和晶粒大小
• • • • • 一、金属的化学吸附和表面积 1.用氢的化学吸附测定金属表面 2.用co的吸附测定金属表面 3.担载型金属催化剂的金属表面积测定 （1）铜催化剂：一氧化二氮在90℃的吸附 分解测定 • （2）铂催化剂：氢的化学吸附测定 • （3）钯催化剂：氢的化学吸附测定
3.1.1 固体催化剂的形态—孔、孔分 布、表面积和密度
• 固体催化剂在形态上有意义的特征包括表面积、 孔体积、孔大小的分布和密度。 • 绝大多数固体催化剂上孔性固体，根据大小， 孔可以分为多种： • a 微孔（孔径<2nm）； 超微孔（孔径<0.7nm） • b 介孔 （2nm<孔径<50nm） • c 粗孔（孔径<50nm）
P 1 c 1 P 一般形式的 BET等温方程 V ( P0 P ) cV m cV m P0
BET方法测比表面：从吸附等温线中读取对应的P和V，计算
出P/V(P0-P)和P/P0，以P/V(P0-P)对P/P0作图，所得直线的斜 率为I = (c-1)/cVm，截距为L = 1/cVm，则 1 Vm I L 每克催化剂具有的表面积称为比表面积， Vm S 1 Sg ~ N ASm W W V 其中，Ṽ为吸附质的摩尔体积，NA为Avogadro常数，Sm为一 个吸附质分子的截面积，W为催化剂质量。 常用吸附质为惰性气体，最常用是N2，其Sm = 16.2 Å2，吸附 温度在其液化点77.2 K附近以避免化学吸附，对多数体系，相 对压力在0.05 0.35间的数据与BET方程有较好的吻合。
i
i
cx (1 x
i0
x = 1时，V = 。当吸附质压力为饱和蒸气压时，即P = P0，将 发生凝聚，V = 。因此，x = 1与P = P0相对应，故x = P/P0，
V Vm (1 c ( P / P0 ) P P0 )( 1 ( c 1 ) P P0 )
q1 RT )
) a 2 Ps 1
即
a 2 Ps 1 b 2 s 2 exp(
) 同理，对(i-1)层， a i Ps i 1 b i s i exp( RT 假定第二层及以上各层分子吸附的性质与在液体中凝聚性质一
样 (i >= 2)，
qi ql ,
bi ai
g
ql为吸附质的液化热。 令
例子: 合成氨用铁催化剂总表面积和活性表面积的测定: 总表面积: N2等温吸附线 K2O所占表面积: CO2等温吸附线 Fe所占表面积: N2解离化学吸附 Al2O3所占表面积: total-K2O-Fe
二、孔结构参量和孔的简化模型 孔结构的类型对催化剂的活性、选择性、强度等有很大影响。 2.1 催化剂的密度
孔的类型：大小不变的、漏斗形的、墨水瓶形的 ；瞎孔、封闭孔、贯通孔；孤立孔、孔骨架 孔的几何形状：筒（大小=直径）形、裂缝（大 小=臂间距）、连接实心球的空间，前两者是最 常用的模型
• 孔的总表面积远远大于由孔壁贡献的相应的外表 面积，常见催化剂的比表面积在1-1000m2/g范围 内，而它们的外表面积只有0.01-10m2/g。催化 反应的传质过程、催化剂的失活等都在很大程度 上受孔大小的影响。
比较，定性地获得样品的晶化度。 （3）样品和已知材料的相比较，获得材料是否 是纯的、单相还是有杂质的相等信息。 （4）峰的位置可以确定晶胞的大小和形状 3.半定量、定量分析 样品峰面积积分对比标准材料的，可以算出 样品相对于标准材料的结晶度。
二、电子显微镜：透射电镜和扫描电镜 三、红外光谱 四、热分析技术 五、紫外-可见-近红外光谱
催化剂的密度是单位体积内含有的催化剂质量，以 = m/V表示。 孔性催化剂的表观体积VB = 颗粒之间的空隙Vi + 颗粒内部的孔 体积Vk + 催化剂骨架实体积Vf。 m 1、堆密度或表观密度： B VB
B点法测定II型吸附等温线比表 面积：
Vm VB
1.2 活性表面积的测定
BET方法测定的是催化剂的总表面积。通常只有一部分才有活 性，这部分叫活性表面。活性表面的面积可以用“选择化学 滴定”来测定，因为化学吸附具有选择性。如： 对于负载型金属催化剂，氢和CO的化学吸附可以测定活性金 属表面积； 利用碱性气体（NH3）的化学吸附可以测定催化剂酸性中心所 具有的表面积； 表面氢氧滴定： 从气体吸附量计算活性表面积，首先要确定选择化学吸附的计 量关系，即吸附计量系数-每个吸附分子能够覆盖几个活性中 心。氢的吸附（一般为解离吸附）计量系数为2；CO在线式 吸附下计量系数为1，桥式吸附为2。
对于气体在固体表面(第0层)的吸附和脱附的平衡，
a 1 Ps 0 b1 s 1 exp(
q1 RT
)
P为平衡压力，q1为第一层的吸附热， a1、b1分别为常数。
对于第一层，平衡关系可以表示为，
a 1 Ps 0 b 2 s 2 exp( q2 RT ) b1 s 1 exp( q2 RT qi
根据经验，可以给出最好结果的方法如下所 述： • • • • • • • • A 总表面积：BET法 B 微孔外表面积：t作图法和as作图法 C 总孔体积：初湿法、比重法 D 总微孔体积： t作图法和as作图法 E 介孔体积和介孔大小分布：压汞法 F 粗孔体积和介孔大小分布：压汞法 七、催化剂密度及其测定 包括颗粒密度、骨架密度、床层密度
y
x
a1 b1
P g
P exp(
ql RT
q1 RT
)
则 s 1 ys 0
令
exp(
)
则 s 2 xs 1 xys
0
si x
i 1
ys 0
令 c
y x
a1 g b1
i 1
exp(
q1 q l RT
i
)
则 s i x ys 0 cx s 0 假设催化剂总面积为S，则 S
一、水溶液法 • 也就是表面酸度的水溶液滴定法，这是一个离 子交换的过程，并不是很适合滴定固体催化剂 的酸度。 • 二、非水溶液指示剂法 • 此法有很大改进，所用介质苯或者正己烷不和 催化剂表面反应。而且利用吸附的指示剂，还 可以确定酸的酸强度和量。 • 缺点：合适的指示剂数目不多，颜色变化的可 分辨程度也难得满意；确立滴定的平衡需要很 长时间，可能发生酸的指示剂诱导修饰。
3.1.2 测定固体催化剂形态特征的技 术和方法
• 一、77K时氮的吸附 • 测定表面积、孔体积和孔径分布，吸附等温线的 形状取决于固体的孔结构。 • 1.BET法测定表面积 As=(Vm/22414)NAσ σ为一个氮分子所覆盖的面积，一般为0.162nm2, NA为阿伏加德罗常数 2. t（吸附层的统计厚度）作图法测定表面积、微 孔和介孔体积 As=(m/22414) tmNAσ
直线斜率m和固体表面积A成正比。
3. AS作图法测定表面积、微孔和介孔体积 这是t作图法的修正。 • 二、低温下氪、氩、氦的吸附 • 测定表面积和微孔体积，在77K时的吸附能有效 地测定小表面积。 • 三、压汞法 • 大多数固体和汞的接触角都大于90度,需要施加 一定压力汞才能穿过孔。 • P=(2rcosθ)/rp • P为使用压力，r为表面张力，θ为接触角（140度 ）， rp 为孔大小
四、初湿法 此法是精确测定孔体积的方法，也是唯一能用于粗孔硅 胶的方法。将固体催化剂用一种非溶剂液体，常用水和 烃类浸渍使孔被充满，过量浸渍液用离心机除去，孔体 积就等于被吸附的液体体积。
五、比重法 利用真密度（对可能的瞎孔进行校正后的密度） 以及颗粒密度（对所有的孔进行校正后的密度 ）算出。 六、渗透计和逆向扩散法 获得平均扩散孔径和曲折因子的方法。
i0
si
0
令吸附气体的总体积为V，则 V
V
i0
is i V 0 is i
i0
其中，V0为单位表面积催化剂吸附单层分子气体的体积。
V Vm
is
i0
i
i0
si
其中，Vm = V0S，为催化剂表面吸附一单层分子所需的气体
体积。
V Vm
cs 0 ix
i0
第三节 表面光谱技术
• • • • • • • 一、电子光（能）谱 1.低能电子衍射谱 2.X射线光电子能谱 3.紫外光电子能谱 二、离子光（能）谱 1.二次离子质谱 2.低能离子散射
第一节 催化剂织构的表征
一、催化剂的表面积 一般说，催化剂表面积越大， 其上所含的活性中心越多，催 化剂的活性也越高。
二、金属分散度的测定 • 1.由X射线的增宽测定微粒的平均大小 • 2.透射电镜 • 分辨率已达0.7-0.3nm，可以直接观察和测 定金属的微粒。
3.1.4 固体催化剂的表面酸性和碱性
• 用作烃类反应催化剂的固体氧化物和沸石， 关于其表面上酸中心的本质，已有多种方法 来测定之。最常用的有： • A指示剂法，筛选固体表面最简单、容易的方 法 • B碱性气体吸附法 • C红外光谱法，最有力的工具，吸附氨或者吡 啶的红外谱图可为催化剂表面上是否存在质 子酸和Lewis酸提供直接的证据 • D碱的脉冲吸附和氨的程序升温脱附
第二节 催化剂结构的表征
催化剂性质由原子水平上的表面化学组成和结 构所决定，所以催化剂的表征应着眼于反应条 件下从原子到表面原子。完全描述固体的结构 需要确定晶体的结构、空间群、晶胞大小、原 子坐标等。 表征方法：
一、粉末（多晶）X射线衍射
1.原理 2.定性分析： （1）扫描的样品是晶体还是无定形？ （2）把样品中最强峰的强度和参考样品的进行