工业催化--第一章-催化剂与催化作用-(1).讲解学习
工业催化原理PPT
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。
非均相催化反应是 指反应物和催化剂 居于不同相态的反 应。
酶催化反应同时 具有均相和非均 相反应的性质。
1.2.1催化反应分类
按反应类型进行分类
表1-3 催化剂对可能进行的特定反应的选择催化作
反应类用型
常用催化剂
加氢 脱氢 氧化
羰基化
聚合 卤化 裂解 水合 烷基化，异构化
Ni,Pt,Pd,Cu,NiO,MoS2,WS2,Co(CN)63Cr2O3,Fe2O3,ZnO,Ni,Pd,Pt V2O3,MoO3,CuO,Co3O4,Ag,Pd,Pt,PdCl2 Co2(CO)8,Ni(CO)4,Fe(CO)3,PdCl(Pph3)3*,RhCl2(CO)Pp
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
CO+H
2
Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K, 1.0133×107～ 2.0266×107Pa
1.1.2催化作用不能改变化学平衡
问题1：实际工业上催化正反应、逆反应 时为什么往往选用不同的催化剂？
❖ 第一，对某一催化反应进行正反应和进行逆反应的操 作条件（温度、压力、进料组成）往往会有很大差别， 这对催化剂可能会产生一些影响。
❖ 第二，对正反应或逆反应在进行中所引起的副反应也 是值得注意的，因为这些副反应会引起催化剂性能变 化。
催化剂与催化作用第一章催化剂与催化作用基本知识
催化剂与催化作用第一章催化剂与催化作用基本知识催化剂是指能够改变化学反应速率但本身不参与反应的物质。
催化作用是通过催化剂为反应提供新的反应路径，降低反应的活化能，从而加快反应速率。
催化剂与催化作用是化学领域中的重要概念，本文将介绍催化剂与催化作用的基本知识。
一、催化剂的作用机理催化剂通过提供新的反应路径，降低反应的活化能，促进化学反应的进行。
催化剂表面上的活性位点与反应物分子发生相互作用，进而改变反应物的键能和键角，使得反应物易于发生化学反应。
催化剂不会消耗掉，而是在反应结束后可以从体系中分离出来，因此催化剂可以在许多次反应中重复使用。
二、催化剂的分类催化剂可以根据其所参与的反应类型进行分类，常见的催化剂有酸性催化剂、碱性催化剂和金属催化剂等。
1.酸性催化剂：酸性催化剂在催化作用中起到质子供给的作用，常见的酸性催化剂包括硫酸、盐酸、磷酸等。
酸性催化剂一般用于酸催化反应，如酯的酸催化水解反应、糖类的酸催化裂解反应等。
2.碱性催化剂：碱性催化剂在催化作用中起到电子供给或接受的作用。
碱性催化剂常见的有氢氧化钠、氢氧化钾等。
碱性催化剂一般用于碱催化反应，如酮类的否明反应、酮类的甲酰化反应等。
3.金属催化剂：金属催化剂可以通过改变反应物的电子结构或提供新的电子通道来促进反应。
常见的金属催化剂有铂、铁、铂铁等。
金属催化剂一般用于氧化还原反应、加氢反应等。
三、催化作用的特点1.催化作用能够提高反应速率，有时甚至可以达到数个数量级的效果。
2.催化剂可以对多种不同的反应起到催化作用，具有广泛的适应性。
3.催化剂与反应物之间的相互作用是可逆的，催化剂可以在多次反应中重复使用。
4.催化剂对反应的选择性较高，可以选择性地促进特定的反应。
四、催化剂的选择和设计催化剂的选择和设计是催化反应的关键步骤。
合适的催化剂可以提高反应速率，降低反应条件，并且具有良好的选择性。
1.催化剂的选择要考虑反应类型和反应物的特性。
不同类型的反应需要使用不同的催化剂，如酸催化反应使用酸性催化剂，氧化反应使用氧化剂催化剂等。
催化剂与催化作用基本.ppt
1.2.2 催化剂分类
• 1. 按元素周期律分类 • 主族元素：用做催化剂的主族元素多以化合物形式存
在。主族元素的氧化物、氢氧化物、卤化物等由于在 反应中容易形成离子键，主要用做酸碱型催化剂。
• 副族元素：无论是金属单质还是化合物，由于在反应 中容易得失电子，主要用做氧化还原型催化剂。特别 是第Ⅷ过渡族金属元素和它的化合物是最主要的金属 催化剂、金属氧化物催化剂和络合物催化剂。
• 如：烯烃与质子酸作用： CH2=CH2 + HA = H3C-CH2+ +A-（质子转移的结果）
•
烯烃若与路易斯酸作用也可生成正碳离子，它是通过形成π键合物并进一步
异裂为正碳离子，反机理可认为是催化剂与反应物分子间通过单个电 子转移，形成活性中间物种进行催化反应。
2. 按反应类型进行分类
这种分类方法不是着眼于催化剂，而是着眼于化学反应。因 为同一类型的化学反应具有一定共性，催化剂的作用也具有 某些相似之处，这就有可能用一种反应的催化剂来催化同类 型的另一反应。
3. 按反应机理进行分类
• （1）酸碱型催化反应：其机理可认为是催化剂与反应物分子之间通过电子对的 授受而配位，后者发生强烈极化，形成离子型活性中间物种进行的催化反应。
• 如：SO2和O2在催化剂NO作用下氧化为SO3的催化反应。
• （2）非均相（又称多相）催化反应：指反应物和催化剂居于不同相态 的反应。（扩散的影响）
• 如：乙烯与氧在负载银的固体催化剂上氧化生成环氧乙烷的反应。
• （3）酶催化反应：其特点是催化剂酶本身是一种胶体，可以均匀地分 散在水溶液中，对液相反应物而言可认为是均相催化反应；但在反应时 反应物却需在酶催化剂表面上进行积聚，由此而言可认为是非均相催化 反应。因此，酶催化反应同时具有均相和非均相反应的性质。
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
工业催化--第一章-催化剂与催化作用-(1).讲解学习
反应速率表示方法
A→B反应，以V、S和W分别代表催化剂的体积、 表面积和重量，则以不同形式表示的反应速率r分 别是：
rv=（1／V）·(dNA／dt)=(1／V)·(dNB／dt) [mol·cm-3·h-1]
rs= (1/s)·(dNA/dt) =(1/s)·(dNB/dt) [mol·cm-2·h1]
XA=（反应后已转化的A摩尔数NA /进料 中A的摩尔数N0A）×100%
注意：在用转化率比较活性时，要求反 应温度、压力、原料气浓度和停留时间 都必须相同。
规定转化率所需的温度和空速表示法
用完成给定的转化率（如XA=80%）所需 要的温度来表示，温度越低活性越高。
压力、原料气浓度和停留时间等条件都必须 相同
这个表示方法很科学，但测定起来却不 容易。
活性中心（部位)---固体催化剂，其表面化 学性质和物理性质不同。
活性中心的测定：
金属催化剂---利用选择性化学吸附 酸性催化剂---用吸附碱性分子
催化反应速率表示法
反应速率表示反应快慢，一般有三种表 示方法。
以催化剂重量为基淮 以催化剂体积为基准 以催化剂表面积为基准
微晶粒子长大都会使活性不可逆的衰退 ； 化学物种对载体的侵蚀，以及载体孔结构的烧
结导致孔道崩塌，催化剂强度丧失而失活 。
工业催化剂的要求
1. 活性 2. 选择性 3.稳定性与使用寿命 4.外形 5.抗压碎强度 6.导热性与比热 7.再生性能 8.可重复性
催化剂活性随时间变化曲线图
思考题
具有加氢功能的催化剂往往对脱氢 反应也有活性。试给予解释？
催化剂几个重要的性能指标
活性、选择性、稳定性 工业生产更多强调的是原料和能源的充
工业催化基础
2、经济效益 （1）催化剂按使用部门划分为炼油、化工.和环保催化剂三大类。据统计，20 世纪80年代中期全球催化剂销售额仅25亿美元，1991年达到66亿美元，1995年103 亿美元，其中炼油、聚合物、化工和环保催化剂分别占22%、16%、26%和35%，汽 车尾气处理Cat.占1/3。
（2）1986年美国商业部估计，美国1984年催化剂消耗总值为13.3亿美元，同 期的石油炼制产品和石油化工产品(两类产品绝大多数通过催化剂生产)的销售总 值为2590亿美元，即＄195产值/＄1 Cat. 。
2）催化化学；
3）废塑料、废弃物回收利用技术；*** 4）分离技术；***
5）工程放大技术；***
6）新能源、节能技术的开发；*** 7）生态平衡工厂、舒适工厂，即绿色化工厂；***
8）现代化管理系统；*
9）高新技术；*** 10）软件开发。**
（2）现代化学工业中，任何一种新产品、新工艺的出现，都是与催化剂 的开发有关。 Ex1：乙烯生产 工业方法：渣油、石脑油、轻柴油裂解→乙烯。 存在问题：石油资源缺乏，与车用燃料、其它石化产品争原料。 缺原料，瓶颈问题。 大力研发：甲烷氧化偶联（OCM）制乙烯。关键:高效催化剂开发。 OCM制乙烯是20世纪80’以来世界天然气转化研究的突出热点。自1982年Keller
等发表第一篇OCM研究论文到1993年初,全世界所发表论文＞950篇,申请美国专利
＞160件。有人统计，国内外所研究过的OCM催化剂＞2000种，及到元素周期表中 除氧族元素以外的各主副族的数十种元素。 目前,OCM制乙烯已取得突破进展,开始投入工业试验。乙烯单程收率达到 26～28%。筛选催化剂有：LiCl/MnO2、Li+/MgO、Li2SO4.MnXOy/TiO2、 MnO2.NaCl/B2O3等。 此外,合成气→烯烃，甲醇→烯烃,大力开发,完成工业试验、正在工业化。
工业催化--第一章工业催化剂概述
• 据统计，20世纪70年代末，全球催化剂销售额 仅约10亿美元，而到1990年，已达60亿美元。
• 表1-1和表1-2是相关的统计数据。
• 目前，世界生产催化剂的主要大型企业约100 余家，主要分布在欧美国家。
工业催化
化工学院精细化工系 朱新宝 教授
◇ 主要教材：
工 业 催化
黄仲涛主编
化学工业出版社
主要参考教材
• 催化剂设计与制备工艺 许越主编 化学工业 出版社
• 催化剂生产原理 赵九生等编 科学出版社 • 工业催化基础 赵光等编著 哈尔滨工程大学
出版社 • 工业催化剂分析测试表征 刘希尧等编著
烃加工出版社 • 催化剂工程导论 王尚弟等著 化学工业出版社
• 有关催化剂的开发，目前已有程度不同的进展。
• 新型的合成燃料，包括甲醇等醇基燃料、甲基 叔丁基醚、二甲醚等醚基燃料以及合成汽油等 烃基燃料。
• 由异丁烯与甲醇经催化反应而制得的甲基叔丁 基醚(MTBE)是一种醚基燃料，兼作汽油的新 型抗爆添加剂，取代污染空气的四乙基铅。
• 由两分子甲醇催化脱水，或由合成气(CO＋H2) 一步催化合成，均可得二甲醚。
• 石油是当代工业的血液。石油工业的蓬勃兴起， 是第二次世界大战后世界经济繁荣的主要文柱 之一。1990年，世界原油产量为6031.7万桶／ 日。
• 早期的石油炼制工业，从原油中分离出较轻的 液态烃（汽油、煤油、柴油）和气态烃类作为 工业和交通的能源。
• 早期主要用蒸馏等物理方法，以非化学、非催 化过程为主。
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节
催化剂的寿命 催化剂的失活 催化剂的再生 催化剂的安全使用
《工业催化》课程教学大纲
《工业催化》课程教学大纲工业催化第一章催化作用与催化剂基础第一节催化作用的定义与特征一、定义二、特征1、只能加速热力学上可行的反应2、只加速反应趋于平衡，而不改变平衡的位置3、通过改变反应历程改变反应速度4、降低反应活化能5、催化剂对反应具有选择性6、催化剂的寿命三、其他基本概念第二节对工业催化剂的要求一、估量一个催化剂价值的四个重要因素二、催化剂的工业性能第三节催化剂的组成与功能一、催化剂成分（固体Cat）二、活性组分1、主剂成分2、按活性组分作用分类3、按导电性分三、载体1、定义2、分类3、载体催化剂命名4、催化剂载体功能四、助催化剂1、帮助载体2、帮助活性组分3、一些主要过程常用助Cat和其功能4、存在的最适宜含量第四节催化体系分类一、相的均一性分类二、作用机理分类三、按反应类别分类第二章催化剂中的吸附作用第一节多相催化的反应过程一、多相催化反应步骤二、外扩散与外扩散系数 DE1、外扩散2、外扩散速率影响因数三、内扩散与内扩散系数 DI1、内扩散2、内扩散的三种类型第二节固体表面结构一、几个概念二、晶体表面的晶面1、晶体2、金属晶体的三种典型结构3、晶格、晶面4、暴露晶面的影响因数三、晶体的不完整性1、固体中缺陷分类2、点缺陷3、线缺陷4、结晶剪切5、堆垛层错与颗粒边界四、晶体表面与体相比较1、合金表面组成2、晶体表面结构3、氧化物表面组成五、晶体表面能量的不均匀性1、原子水平的团体不均匀2、表面力的差别六、晶体的不完整性与催化作用1、不完整性关联到表面催化活性中心2、表面结构与所处气氛有关3、表面组成与反应混合物组成有关第三节分子在固体表面的吸附一、物理吸附与化学吸附1、定义2、物理吸附与化学吸附的区别3、化学吸附与催化二、吸附质的可动性1、吸附质点的两种平均寿命2、定位吸附与非定位吸附3、固体Xe上吸附惰性气体的表面势能三、吸附的位能曲线1、气体分子撞击晶面情况2、吸附位能曲线3、过渡态4、物理吸附价值5、双原子分子另一种吸附情况四、化学吸附的类型1、离解吸附和不离解化学吸附2、均裂离解吸附和非均裂离解吸附3、离解化学吸附的氧化与还原4、非离解化学吸附下氧化与还原5、三种化学吸附键第四节晶体的电子结构一、分子轨道理论和固体能带模型1、原子轨道近似，相对能量和形状2、分子轨道理论3、能带的形成（固体）4、能带结构5、能级的密度6、能带结构理论说明7、物质按能带结构分类8、固体按导电性分类二、配位场模型1、配位场效应2、 d 轨道取向性3、3、实例三、价键理论—金属键的d%1、电子配对理论2、金属价键理论3、d 特性%第三章各类催化剂及催化作用第一节金属催化剂及催化作用一、金属催化剂1、种类2、用途3、特征二、金属催化剂的化学吸附1、气体在不同金属上化学吸附热变化2、气体在金属上化学吸附强度顺序3、金属按其对气体分子化学吸附的能力分类三、金属催化剂化学吸附的状态1、金属催化剂的电子逸出功φ2、反应物粒子的电势 I3、吸附状态四、化学吸附中的几何因素1、几何因素对活性影响2、理论五、吸附与催化——火山型原理1、火山型原理2、火山曲线3、实例六、一些气体的化学吸附态1、氢的吸附2、氧的吸附态2、氮的吸附态3、CO的吸附态5、烃类的吸附态6、乙炔7、苯8、饱和烃第二节固体酸碱催化剂一、定义、分类1、定义Brφnsted 和Lewis 定义2、分类二、机理1、金属氧化物2、混合金属氧化物3、影响酸位和碱位的因数三、固体表面酸、碱性测定1、酸位的类型及鉴定2、固体酸强度和酸量3、固体碱强度与碱量4、酸—碱对协同位5、固体超强酸、超强碱四、固体酸、碱催化作用1、酸位的性质与催化作用关系2、酸强度与催化活性和选择性关系3、酸量与催化剂活性关系4、正碳离子的形成及反应规律5、固体碱催化剂第三节分子筛催化剂一、概述1、沸石：2、沸石特点：3、沸石存在形式4、分类5、分子筛二、发展史1、五十年代——沸石2、六十年代——人工合成工业催化剂3、七十年代——工艺路线、产品质量改进4、八十年代——AlPO4磷酸铝分子筛5、九十年代以来三、分子筛沸石的结构特点1、基本结构单元2、环结构3、笼结构4、分子筛结构四、沸石分子筛的酸、碱催化性能及其调变1、酸中心的形成与本征催化性能2、沸石分子筛酸性调变五、分子筛择型催化性质1、反应物择型催化2、产物择型催化3、过渡状态限制择形催化剂4、分子交通控制的择型催化六、沸石分子筛催化剂碱催化和酸、碱协同催化作用七、新型磷酸铝分子筛 AlPO4第四章催化剂设计与制备第一节催化剂的分子设计基础一、催化剂分子设计的理论与实验1、理论2、实验二、催化剂分子设计的特点第二节催化剂分子设计方法一、催化剂设计方法分类1、传统经验法2、定性催化剂设计方法3、数学模型模拟辅助催化剂设计4、电子计算机辅助催化剂设计二、催化剂分子设计方法1.程序框图2.组分筛选3.热力学可行性分析4.催化剂原料的确定三、催化剂类别第三节工业催化剂的制备原理一、沉淀法1、沉淀过程和沉淀剂的选择2、影响沉淀的因素3、沉淀法类型4、典型沉淀法生产工艺二、浸渍法1、载体的选择和浸渍液的配制2、活性组分在载体上的分布与控制3、浸渍法分类4、工艺三、离子交换法1、无机离子交换剂制备（分子筛）2、有机离子交换剂制备（离子交换树脂）四、共混法五、固体催化剂的成型1、形状及使用性能六、干燥与焙烧1、干燥2、焙烧第三节常用催化剂的制备工艺一、活性氧化铝的制备（沉淀法）1、酸法沉淀工艺2、影响因素二、新型甲醇酮系催化剂制备（分步沉淀）1、目前使用工业催化剂（生产甲醇）2、新型合成甲醇铜素催化剂三、负载型镍催化剂的制备（浸渍沉淀法）1、浸渍沉淀的制备流程2、影响因素四、分子筛的合成（导晶沉淀法）1、高硅钠型分子筛原粉2、最佳原料配比第五节催化剂制备技术的新进展一、微乳化技术与催化剂二、稀土元素与催化剂三、纳米技术与催化剂四、超临界技术五、膜技术与催化剂六、绿色化学化工及环境友好催化剂。
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。
《工业催化基础》课件(第1章 绪论)2014-1.ppt
等规聚丙烯
TiC l4-A l(C 2H 5)3
第二节 催化剂的重要应用领域
二十世纪工业催化的一些重大发明
工业化年份 过程或催化剂
产品或用途
1962
分子筛催化裂化 汽油
1964
烃类加氢脱硫
脱硫净化
1970 1976
甲醇低压合成 NOx 加氢还原
CH3OH 环境保护
1978
甲醇羰基化
醋酸
1986
特种立构合成
化工资源有效利用国家重点实验室
3
第一节 催化剂的基本知识
合成NH3反应途径：
第一节 催化剂的基本知识
反应机理和反应过程的能量如下：
Reactions at Surfaces: From Atoms to Complexity (Nobel Lecture) by Gerhard Ertl Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3524 – 3535
第一章：绪论
主要内容：
催化剂的基本知识；催化剂的重要应用领域；工业 催化的常用术语。
掌握催化剂的基本知识；了解催化剂的重要应用领 域；掌握工业催化的常用术语。
化工资源有效利用国家重点实验室
1
第一节 催化剂的基本知识
催化剂Байду номын сангаас催化作用：
何谓催化剂？先看一个例子：通常情况下，将N2分子和H2分子 混 合 在 一 个 惰 性 的 容 器 中 ， 即 使 在 500℃ 下 ， 也 几 乎 检 测 不 到 NH3的生成。虽然N2分子和H2分子化合生成NH3是一个热力学允 许的可逆放热反应：
第一章 催化作用基础 第一节催化剂与催化作用
℃
对连续反应，选择合适的催化剂可使反应停留在中间产物
阶段
四.催化反应过程及其分类
催化反应过程的共同特征： e.g. 对 A + B AB (非催化过程）
A+K AK+B
AK AB + K （催化过程）
催化反应的分类
根据体系中催化剂和反应物的相不同：
气相均相
均相催化反应
液相均相 气—固相 液—固相
（3）催化过程一般由5步组成：
扩散－表面吸附－表面反应－脱附－扩散 （4）多相催化的优点： 无腐蚀，易分离，可再生，多功能。
3. 酶催化反应：
酶本身呈胶体均匀分散在水溶液中（均 相），但反应却从反应物在其表面上积聚 开始（多相）。故同时具有均相和多相的 性质
五. 催化剂的分类
按反应类型分类：
酸碱催化剂 HCl 、H2SO4 、H3PO4（B酸） AlCl3 、BF3 、Al2O（L酸） NaOH、 Ca(OH)2 、MgO 、CaO、 Na 过渡金属：Ni， Pt 氧化还原催化剂 过渡金属离子：Ni2+ ，V5+， Ti4+ Ziegler-Natta催化剂 Wacker催化剂 ……
2.
二.催化作用的化学本质
改变反应途径，降低了反应的活化能。
三.催化剂的特点
选择性
用量少
有严格的操作条件
催化剂的特点——选择性
相同原料在不同催化剂上可按不同机理反应，得 不同产物
℃
相同原料在不同催化剂上，虽反应机理相似，但 产物不同
℃
原料、产物都相同时，催化剂不同，反应条件可相差很 大
× 100％
X S Y
催化原理备课(第一章--基本知识)
催化剂与催化作用 1.1.2 催化作用不改变化学平衡(Chemical Equilibrium)
在研究一个化学反应体系时，有两个问题必须考虑，第一个是这个 反应能否进行？若能够进行，它能够进行到什么程度？即反应会停止在 什么平衡位置，其平衡组成任何？化学热力学能告诉我们这一问题的答 案；第二个问题是热力学上可行的反应进行快慢任何？即需要多久能够 达到平衡的位置。这个问题属于化学动力学的范畴。从经济学角度考虑， 一个化学过程要付诸工业应用必须既有足够高的平衡产率，又要有足够 快的反应速度。催化剂的作用是改变反应速度，改变反应体系达到平衡 的时间。 ◆催化剂不改变化学平衡的位置：
能 量
非催化 反应中间态
对于气相反应 A B AB ， 反应速度可以用Arrhenius方程表示为：
E非
催化反应 中间态
Ea
反应物
r Ae
ΔH
Ed
吸附的 产物 产物
(
E ) RT
Qa
吸附的 反应物
E催 Qd
PA PB
催化剂与催化作用 ◆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。 例：教材P2下合成氨的反应 非催化：N2、H2N+3H 铁催化：N2、H2N+3H 反应速率提高：1060倍 1.1.4 催化剂对加速化学反应具有选择性 原因：催化剂在多个可能同时进行的反应中，使生成特定产物的反应活 化能降低程度远远大于其它反应活化能的变化，使反应容易向生成特定 产物的方向进行。或者说：催化剂对某一特定反应产物具有选择性的主 要原因仍然是由于催化剂可以显著降低主反应的活化能(activation energy)， 而副反应活化能的降低则不明显。 活化能1129kJ.mol-1 活化能276kJ.mol-1
第1章_催化剂与催化作用基本知识fxc
2N2O 2N2 + O2
(C2H5)2O热解 224
121 134 144
1.2.1催化作用
6、催化作用体现的两个方面
（1）在给定温度下提高反应速率 （2）降低达到给定速率所需的温度 总之：降低反应温度，提高反应速率
log k Catalyzed
Non-catalyzed 1/T
非催化反应和催化反应的Arrhenius图
• 最早的催化－Biocatalysis：中国，公元前，发酵－ 酿酒、制醋、酱和酱油制做、馒头和面包制做等 • 非生物催化 －1740年，英国，Ward，硝酸钾促进硫磺的燃烧反应 －1781年，法国，Parmentier，硫酸促进淀粉水解 －1816年，英国，Davy，铂促进甲烷和醇的氧化反应 －1820年，德国，Dobereiner，铂粉促进氢气和氧气 的化合 特点：只是有意识地应用了催化作用，并不知道催化作 用，并未提出“催化”
F）达到某一转化率所需的最低反应温度: 最低反应温度数 值大的，表明催化剂的活性低，反之亦然。
1.2.2催化剂的重要性质
1、催化剂的活性
催化剂活性的工业表示方法：
已转化的反应物量 C C 100% 0 100% 反应物进料量 C0
转化率
1.2.2催化剂的重要性质
（2）活性位，Active site 催化剂中真正起催化作用的结构或位置。 如：质子，配位络合物，表面原子簇 （cluster)，蛋白质中的胶束囊 （supermolecular pocket)。 固体催化剂：表面配位不饱和的原子或原子簇。
1.2.1催化作用
3、催化作用与催化剂的定义
IUPAC -International Union of Pure and Applied Chemistry 1976年： 催化是靠用量较少且本身不消耗的一种叫作催化剂的 外加物质来增大化学反应速度的现象。
工业催化第四版第一章内容总结(一)
工业催化第四版第一章内容总结(一)工业催化第四版第一章内容总结前言本文总结了《工业催化第四版》第一章的重要内容。
工业催化是化学工程中的重要领域，通过催化剂催化反应，提高反应速率和选择性。
本章介绍了工业催化的基本概念、催化剂的种类和特点，以及催化剂的制备和表征方法。
正文本章主要内容如下：1.工业催化基本概念–工业催化的定义和重要性–催化反应和非催化反应的比较–催化反应的动力学和热力学基础2.催化剂的种类和特点–催化剂的分类：固体催化剂、液体催化剂和气体催化剂–催化剂的特点：活性、选择性、稳定性和寿命3.催化剂的制备方法–物理方法：沉积、沉淀、浸渍、共沉淀等–化学方法：沉淀、浸渍、溶胶-凝胶法等–物理化学方法：共沉淀、浸渍、溶胶-凝胶法等4.催化剂的表征方法–表面性质表征：BET比表面积、微孔孔径分布等–结构性质表征：X射线衍射、透射电子显微镜等–表征技术的选择和应用结尾本文总结了《工业催化第四版》第一章的重要内容，包括工业催化的基本概念、催化剂的种类和特点，以及催化剂的制备和表征方法。
工业催化在化学工程领域中起着重要作用。
进一步了解和掌握工业催化的理论和实践对于工程师和研究人员具有重要意义。
前言本文总结了《工业催化第四版》第一章的重要内容，首先介绍了工业催化的基本概念，包括定义和重要性。
随后比较了催化反应和非催化反应的差异，并解释了催化反应的动力学和热力学基础。
正文1. 工业催化基本概念•工业催化的定义和重要性：工业催化是指利用催化剂加速化学反应的过程。
工业催化在石油化工、化学合成等领域具有广泛应用，能够提高反应速率、降低反应温度和减少能量消耗。
•催化反应和非催化反应的比较：催化反应通过降低反应的活化能，增加分子之间的碰撞频率来加速反应速率；而非催化反应需要较高的温度和压力才能进行。
•催化反应的动力学和热力学基础：催化反应速率由反应物浓度、催化剂活性和温度等因素决定，而反应方向由热力学平衡决定。
2. 催化剂的种类和特点•催化剂的分类：根据存在的物理状态，催化剂分为固体催化剂、液体催化剂和气体催化剂。
工业催化-基础知识分析解析
化学工程
五、工业催化的地位
表面科学
传热 反应器设计 过程经济分析
工程放大技术
吸附理论 表面分析开发 晶体结构模型
分析测试
催化剂表征 原料、产品分析
工催业化
载体 助催化剂
固无体机化材学料
金属分散 金属配位 络合催化 金属离子配位理论
金属有机化学 配位化学
二、催化剂与催化作用的重要性
1. 使用催化剂的工业部门 现代化学工业、石油炼制、石油化学工业、
食品工业、环境保护等
2. 没有现代催化科学的发展和催化剂的广泛使 用就没有现代化的化学工业。
催化过程构成了现代的化学工业，催化过 程在化工生产约占90%。
催化过程与人们吃、穿、住、用的物资生 产过程密切相关。
年份 cat类型
环保 石油炼制 化工 合计
1987年
248 207 403 858
1990年
650 216 432 1289
1993年
1085 230 463 1778
1987-1993 年增长率 27.9(%)
1.8 2.3 12.9
表1-2. 美国催化剂市场销售额（106美元）
年份 cat类型
本课程着重讨论在科研和生产中应用得最为广 泛的有关催化剂的制备、表征、反应及其作用机理， 研究催化剂结构与性质之间的关系，从微观的角度探 讨催化剂组成、比例及表面层原子、分子及离子的位 置、运动以及构型与催化剂性能的关系。
通过本课程的学习使同学们系统地掌握工业催 化的基本概念、基本原理、基本方法及技巧，为今后 的工作、科研及开发打下良好的基础。
化、纳米催化等）
四、催化科学发展的回顾
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N2+3H2=2NH3的催化反应途径
催化作用的特征（1）
催化剂只能加速热力学上可以进行的反应
在开发一种新的化学反应的催化剂时，首先要对 该反应体系进行热力学分析，看在给定的条件下 是否属于热力学上可行的反应。
思考题
具有加氢功能的催化剂往往对脱氢 反应也有活性。试给予解释？
催化剂几个重要的性能指标
活性、选择性、稳定性 工业生产更多强调的是原料和能源的充
分利用。 改进型的研究，一般是追求选择性，其
次是稳定性，最后才是活性。 新催化剂及工艺的研究，则先追求高活
性、高选择性，最后才是稳定性。
催化剂活性、选择性和稳定性的概念
催化作用的特征（3）
催化剂对反应具有选择性
根据热力学计算，某一反应可能生成不只一 种产物时，应用催化剂可加速某一目的产物 的反应，即称为催化剂对该反应的选择性。
工业上利用催化剂具有选择性，使原料转化 为所需要的产品。
例如，以合成气(CO＋H2)为原料，使用不同 的催化剂则沿不同的途径进行反应。
活性中心与转换频率
催化剂并非所有的部分都参与反应物到产物的转化， 因此那些参与的部分被称为活性中心。大多数工业 催化剂使用的形式是多孔小球，每一个小球一般包 含1018个催化中心。
转换频率是指每个催化中心上单位时间内产生的给 定产物的分子数。
催化剂在更换前每个催化活性中心上的催化循环周 转超过十亿（109）次。
工业催化--第一章-催化剂与催 化作用-(1).
工业催化在现代化学工业中的作用
90％以上的化工产品借助催化剂生产
无机化工领域的合成氨、硝酸、硫酸等 石油加工领域的催化裂化、催化重整等 有机化工原料中的甲醇、醋酸、丙酮等 煤化工中的催化液化与气化 高分子化工中的聚合物材料 药物、精细化学品生产 环境保护也需借助催化过程
什么是催化剂?
催化剂是一种物质，它能够加速反应的速率而不改 变该反应的标准Gibbs自由焓变化。
催化剂将反应物转变为产物，在循环的最终步骤催 化剂再回到其原始状态。更简单地说，催化剂是一 种加速化学反应，而在其过程中自身不被消耗掉的 物质
金属、金属化合物(如金属氧化物、硫化物等)、有 机金属络合物、酶或细胞等。
催化剂不能改变平衡位置 -实例
乙苯脱氢制苯乙烯，在600℃、常压、乙苯与 水蒸汽摩尔比为1：9时，按平衡常数计算，达 到平衡后苯乙烯的最大产率为72.8％，这是平 衡产率，是热力学所预示的反应限度。为了尽 可能实现此产率，可选择良好催化剂以使反应 加速。但在反应条件下，要想用催化剂使苯乙 烯产率超过72.8％是不可能的。
催化剂如何加速反应速率？
-无催化剂时合成氨的活化能
N2+3H2=2NH3 无催化剂存在时，在500oC、常压条件下，反 应活化能高，~334 kJ/mol 。此条件下反应速 度极慢，觉察不出氨的生成。
催化剂如何加速反应速率？
有催化剂存在下，在催化剂表面发生了一系列表面 作用过程，最后生成氨分子。催化反应的速率控制 步骤是氮解离步骤，该步的活化能~70 kJ/mol 。
催化剂也同时加速逆反应速率
根据Kp=K正/K逆，既然不能改变平衡常数，它必 然以相同的比例加速正、逆反应的速率常数。这 个推论具有重要意义。
对于可逆反应，能催化正方向反应的催化剂，就 应该能催化逆方向的反应。例如，脱氢反应的催 化剂同时也是加氢反应的催化剂，水合反应的催 化剂同时也是脱水反应的催化剂。
催化剂展简史
J.J.Berzelius 1836年提出“催化作用”概念 Cata：下降 Lysis：分裂破裂
工业催化剂市场
工业催化剂市场主要有三大领域：
（1）炼油催化剂市场(是最大的)； （2）化学品生产催化剂市场； （3）环保催化剂市场。
工业催化研究前沿领域
石油资源的短缺，利用天然气和煤发展C1化工是未 来的发展趋势。利用天然气生产合成液体燃料、替 代液化石油气和车用柴油的二甲醚、经甲醇合成乙 烯和丙烯的MTO及MTP工艺已成为当今C1化工研 究开发重点，而开发新型高效催化剂是关键。
从长远发展方向看，生物催化因选择性高、副反应 少、反应条件温和、设备简单，是持续发展所需要 的绿色生产技术。
工业催化课程主要内容
第一章、催化作用与催化剂 第二章、吸附作用与多相催化 第三章、酸碱催化剂及其催化作用 第四章、分子筛催化剂及其催化作用 第五章、金属催化剂及其催化作用 第六章、金属氧化物和硫化物催化剂及其催化作用 第七章、酶及其催化作用简介 第八章、工业催化剂的活性评价与宏观物性的表征 第九章、工业催化剂的制备与使用
催化作用的特征（2）
催化剂只能加速反应趋于平衡，不能改变平衡 的位置（平衡常数）
化学平衡是由热力学决定，G0＝—RT1nKP ， KP为平衡常数，G0是产物与反应物的标准自由 焓之差，是状态函数，只决定于过程的始终态， 而与过程无关，催化剂的存在不影响G0值， 它只能加速达到平衡所需的时间，而不能移动 平衡点。
活性—是指催化剂影响反应进程变化的 程度。
选择性—是指所消耗的原料中转化成目 的产物的分率。
稳定性—是指催化剂的活性和选择性随 时间变化的情况。
第一章 催化剂与催化作用
本章主要内容 催化作用的基本概念和原理 催化剂的主要组成和功能 工业催化剂的基本要求
提高反应速度的方法
工业上的化学反应，要能以一定速度进行， 即在单位时间内能够获得足够数量的产品。
提高反应速度的手段： 加热的方法 光化学方法 电化学方法 催化方法 既能提高反应速度，又能控制反应方向
催化剂对反应具有选择性 -实例
催化作用的特征（4）
-催化剂的寿命
催化剂能改变化学反应的速度，其自身不进入 反应的产物，在理想的情况下不为反应所改变。
催化剂在参与反应过程中，先与反应物生成中 间络合物，再继续反应生成产物，催化剂恢复 到原来的状态。
实际反应过程中，会发生不可逆物理和化学变 化，如晶相变化、晶粒分散度的变化、组分的 流失等，导致催化剂的失活。