催化原理-绪论(2)
催化原理
第一章 绪论
① 酶是以“大”分子的形成作为催化剂参与反应的。许多酶的组成 和立体构型已经弄清； ② 酶的活性中心，在简单酶中为多肽链上的氨基酸残基，在生理过 程中是水解反应的催化剂，如蛋白酶、脂肪酶等；在结合酶中为辅酶 或辅基，在生理过程中是氧化还原反应的催化剂，如脱氢酶、氧化酶、 各种细胞色素等； ③ 在反应过程中，多肽链对反应分子其定位的作用，活性中心起催 化作用； ④ 每个生理过程中的酶链，由一定数量的若干酶所组成，每种酶只 司一种职能，反应按步进行，有条不紊。 ⑤ 活性中心挂在多肽链上（锚定），构型不同于固体催化剂的，后 者呈吸附性。
第一章 绪论
把催化现象和催化制作为一门科学来研究是从18世纪开始的。 (一）合成氨催化剂的发现与催化技术 （二）催化技术另一重大成就，是三大合成(合成塑料、合成纤维、合 成橡胶)催化剂的发现。 （三）炼油和石油化工催化剂的发展 （四）20世纪70年代初的石油危机，迫使许多依赖石油进口的发达国 家的研究重点由石油化工转向煤化工，转向了以Cl化学为基础合成化工 产品和燃料的发展路线，C1化学催化已成为当代化工领域的重要课题。 （五）环境工程催化的研究．美国在1974年，日本在1975年，开始 在汽车上安装催化净化装置，所用的催化剂主要是Pt，Pd和Rh等贵金属。
第一章 绪论
3．研究工具和实验方法的进步
催化过程和催化剂作用的本质，主要从四个方面获得信息： ① 反应的化学机理：通过检测反应中生成的中间产物和产物的分布， 探讨反应的化学路径； ② 反应动力学：通过研究反应动力学，确定反应的基元步骤，几个步 骤的速度和能量变化，明确反应机理； ③ 催化剂表征：研究催化剂体系和表面的物理、物理化学和化学性质， 确定影响催化剂性能的主要因素； ④ 催化体系的动态分析：在工作条件下追踪反应物和催化剂之间的相 互作用，观察催化过程的微观步骤，以及掌握过程中间状态结构上的和 化学上的信息。
催化原理重点知识点总结
催化原理重点知识点总结催化原理是化学反应速率中的关键因素之一，它能够降低活化能，加速反应进行。
催化原理涉及多个重要的知识点，下面是一个1200字以上的催化原理重点知识点总结：1.催化剂的作用机制催化剂通过提供新的反应路径，降低了反应活化能，并且能够参与反应形成中间产物，最后再释放出来以参与下一个反应循环。
催化剂的作用可以是吸附活化、解离和结合产物等。
2.催化剂的分类催化剂可以分为均相催化剂和异相催化剂。
均相催化剂与反应物和产物均处在相同的相态，异相催化剂与反应物和产物处在不同的相态，常见的包括固体催化剂和液体催化剂。
3.催化剂的选择和设计催化剂的选择和设计是催化化学的基础。
合适的催化剂应具有高的催化活性、高的选择性和稳定性。
常用的催化剂包括金属催化剂、酶和酶模拟剂、过渡金属催化剂等。
4.受体饱和和产物反馈对催化反应的影响在催化反应中，受体饱和和产物反馈都会影响反应的速率和选择性。
受体饱和是指反应物与催化剂之间的相互作用，如果反应物过多，催化剂会饱和，从而降低反应速率。
产物反馈是指产物对反应速率的影响，产物过多会抑制反应速率。
5.催化反应的速率方程催化反应的速率方程描述了反应速率与反应物浓度和催化剂浓度之间的关系。
速率方程可以根据实验数据通过拟合得到，一般可以用Arrhenius 方程、Michaelis-Menten 方程等形式进行表示。
6.酶催化反应酶是一种具有高度催化活性和专一性的生物催化剂，它通过降低活化能来加速化学反应。
酶催化反应具有高效率、高选择性和温和条件等优点，常用于生物体内的代谢过程中。
7.过渡金属催化反应过渡金属催化反应是分子催化领域的重要研究方向之一、过渡金属催化剂通常具有复杂的配体结构和反应机制，可以实现多种催化反应，如氧化反应、还原反应、羰基化反应等。
8.催化剂中的活性位点催化剂中的活性位点是指催化反应发生的具体位置。
活性位点可以是金属表面上的孤立原子、簇状结构、缺陷位点等，也可以是有机催化剂特有的功能基团。
催化原理
1 Catalysts that speed the reaction are called positive catalysts. Substances that slow a catalyst's effect in a chemical reaction are called inhibitors.催化作用是指催化剂对化学反应所产生的效应。
2 Catalysis is the change in rate of a chemical reaction due to the participation of a substance called a catalyst. Unlike other reagents that participate in the chemical reaction, a catalyst is not consumed by the reaction itself.催化剂是一种能够改变一个化学反应的反应速度，却不改变化学反应热力学平衡位置，本身在化学反应中不被明显地消耗的化学物质。
——现代定义3 只有热力学允许，平衡常数较大的反应加入适当催化剂才是有意义的！Only allowed by thermodynamics, addition of appropriate catalysts for those reactions with larger equilibrium constant of the reaction is meaningful!催化作用通过改变反应历程而改变反应速度Catalysis change the reaction rate by changing the reaction path4 不同催化剂对特定的反应体系有选择性（机理选择性）Different catalysts have selectivity to the specific reaction system (Mechanism selectivity)催化剂因催化剂结构不同导致选择性（扩散选择性）。
应用催化——绪论
C.复合氧化物催化剂：
由多种金属氧化物制得的结构上一定的复合氧化物: 如尖晶石(AB2O4)型的ZnAl2O4, Fe3O4, Co3O4; 钙钛矿(ABO3)型的CaTiO3, LaCoO3, CaxLa1-xMnO3等 同时具有氧化还原、脱氢加氢、异构化等多种功能。
D.负载型金属催化剂：
金属是最先用于生产的催化剂。但是，目前已只有 少数几个工业还是用纯金属网（例如，用于氨氧化的 铂网），金属粉（例如，由于加氢的Raney镍）和金 属粒（例如，用于氨合成的焙铁催化剂）。 绝大多数工业上所用金属催化剂属于过渡金属负载 型催化剂。 如：用于乙烯氧化制环氧乙烷的银-浮石催化剂。 石油重整催化剂：Pt/Al2O3。 Co+H2合成中的Cu-ZnO-Al2O3, Co(Ni, Fe)-ThO2硅藻土催化剂。 加氢用的Pd(Ni, Pt)-Al2O3(SiO2)催化剂等等。
生物酶催化的研究也获得了明显进展。目前，对一 些酶的催化作用已经可以从分子水平上作出某些解 释。和均相配位催化剂一样，在以下一些问题上已 经比较清楚。 酶是以“大”分子的形式作为催化剂参与反应的。 酶的活性中心，在简单酶中为多肽链上的氨基酸残基， 在生理过程中是水解反应的催化剂，如蛋白酶、脂肪 酶等；在结合酶中为辅酶或辅基，在生理过程中是氧 化还原反应的催化剂，如脱氢酶、氧化酶、各种细胞 色素等；在反应过程中，多肽链对反应分子其定位的 作用，活性中心起催化作用；每个生理过程中的酶链， 由一定数量的若干酶所组成，每种酶只司一种职能， 反应按步进行，有条不紊。活性中心挂在多肽链上 （锚定），构型不同于固体催化剂的，后者呈吸附性。
b.重要杂志（基础研究） 1. Journal of Catalysis, Vol. 1--86, 1962--1984. 2. Applied Catalysis, Vol. 1--11, 1981--1984. 3. Journal of the Research Institute for Catalysis, Hokkaido University, Vol.1-31, 1953-1983. 4. Journal of Molecular Catalysis, Vol. 1-25, 1974-1984. 5. Reaction Kinetics and Catalysis Letter, Vol. 1-25，19741984. 6. Journal of the Chemical Sociiety, Faraday Trans. Vol.6880,1972-1980. 7. Journal of Solid State Chemistry, Vol. 1-52, 1969-1984. 8. Journal of Inorganic Biochemistry, Vol. 1-21, 1974-1984. 9. Oxidation Communications, Vol. 1-6, 1980-1984. 10. Surface Sciences, Vol. 1-1'10, 1964-1984.
工业催化PPT教学课件
我国化学工程与技术学科的发展中 里程碑
• 1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先 生建成上海天利氮气厂生产出液氨， 吴先生还创办了天厨味精厂（1923）、 天原电化厂（1929）和天盛陶器厂 （1934），以及范旭东在天津创办的 永利碱厂，这些化工原料的生产推动 了我国化学工业的发展
• 合成氨工业的巨大成功推动了化学工 业迅速发展，也带动了一系列化学工 程基础理论工作，如化工热力学、化 学工艺学、工业催化等。氨合成催化 剂的研究与改进已经尝试10万多个配 方，至今仍是催化界研究的方向
本课程基本内容催化材料催化材料aaddbbccee催化剂制备与表征技术各类催化剂及其催化作用工业催化剂发展简史催化作用基本原理催化反应催化反应动力学动力学能源环境催化催化新材料催化新技术第一章绪论第二章催化作用与催化剂第三章吸附作用与多相催化第四章各类催化剂及其催化作用第五章环境保护催化与环境友好催化第六章未来能源和燃料工业用催化技术第七章新材料合成用催化技术和具有突异催化性能的新材料第八章生物催化技术第九章工业催化剂的制备与使用第十章工业催化剂的设计第十一章工业催化剂的评价与宏观物性的测试第十二章催化剂表征的现代物理方法简介本课程基本内容教材
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4
第一章 绪论
课程的主要任务 工业催化的发展简史 催化发展新领域 当前催化科学研究的重要方向
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绪论
• 本课程的主要任务
掌握催化作用的基本规律，了解催化过程的化学 本质和熟悉工业催化技术的基本要求和特征，并能够 将新型催化剂开发原理运用到资源的化工利用、化学 制药、环境保护、生物工程技术、新材料和新能源等
②筛选出具有工业价值的熔铁催化剂。Karlsruhe大学当时宣布的催 化剂为锇（Os）和铀（U），既昂贵又不好操作。Haber的同事Mittasch经 过2500多种配方、6500多个实验筛选出高活性、高稳定性和长寿命的合成 氨熔铁催化剂（主要为Fe-Al-K多组元成分）。
催化原理(适用于化工工艺专业)
催化原理（适用于化工工艺专业）(Catalysis: Theory & Application)目的和要求催化原理是催化理论和催化实践并重的学科。
它的教学目的是使学生掌握催化作用的基本规律，了解催化过程的化学本质和熟悉工业催化技术的基本要求和特征，为化工工艺专业专门人才的培养提供坚实的理论基础。
要求学生在掌握催化化学基本概念和理论的基础上，注重与催化剂的工业应用紧密结合。
基本内容及学时分配绪论（1学时）第一章催化作用与催化剂（共8学时）第一节催化作用的定义与特征（2学时）第二节催化剂的组成的功能（2学时）第三节对工业催化剂的要求（2学时）第四节均相催化与均相催化剂简介（2学时）第二章吸附作用与多相催化（共8学时）第一节多相催化的反应步骤（1学时）第二节吸附等温线（2学时）第三节金属表面上的化学吸附（2.5学时）第四节氧化物表面上的化学吸附（2.5学时）第三章各类催化剂及其催化作用（共10学时）第一节酸碱催化剂及其催化作用（2学时）第二节分子筛催化剂及其催化作用（2学时）第三节金属催化剂及其催化作用（2学时）第四节金属氧化物和硫化物催化剂及其催化作用（2学时）第五节络合催化剂及其催化作用（2学时）第一章至第三章复习（3学时）第四章工业催化剂的制备与使用（共4学时）第一节工业催化剂的制备（2学时）第二节工业催化剂的使用（2学时）第五章工业催化剂的活性评价与宏观物性的表征（共5学时）第一节催化剂的活性测试的基本概念（1学时）第二节催化剂的活性测试（2学时）第三节催化剂的宏观物性及其测定（2学时）第四、五章复习（2学时）总课时44学时包括35学时授课，5学时复习，4学时参观或实践教材黄仲涛主编，化学工业出版社，1994。
北京主要参考书[1] 李玉敏工业催化原理，天津大学出版社1992 天津[2] 高正中实用催化，化学工业出版社1996 北京[3]吴越催化化学（上、下册），科学出版社1998 北京。
催化原理-课件
40年代 催化裂化 C16H34 = C8H16 + C8H18 (Si-Al) 催化加氢裂化 催化重整 C6H12 = C6H6 + 3H2 (Pt-Re) 得到发展, 首先是英美掌握, 它为石油的二次加工提供了基
1.1 1．催化剂的发展历程
为大量生产HNO3 H2SO4 奠定了基础, 它们正是生产炸药, 化 肥的基础原料。正是这时，发生了由德国发起的第一次世界 大战。
1923年 CO + H2 = CH3OH (ZnO-CuO) BASF 1926年 nCO +(n+m/2) H2 = CnHm +n H2O Fischer and Tropsch
故催化作用和催化剂的研究应用，成为现代化学工业的重要 课题之一。
催化原理
催化原理: 借助于热力学、动力学及结构化学和表面化学等的基 本理论，通过研究均相、酶和多相三个不同催化反应 体系中的一般规律，去阐明他们在反应机理、催化 剂结构和反应性能之间的作用特点。
目的: 使大家能够掌握催化作用的基本规律、了解催化过程的化 学本质、熟悉不同类型催化剂的基本要求和作用特点，为 大家以后进行相关催化的科学研究提供一定的理论基础。
础;不仅提高汽油的 ON值, 而且增加汽油的产量.
50年代 CH2=CH2 到-(CH2-CH2)n[TiCl4-Al(C2H5)3] Ziegler-Natta
1.1 1．催化剂的发展历程
CH2=CH2+O2 = CH3CHO (Pd/Cu) Wacker-Schmidt and 丙烯CH2=CH2-CH3聚合生成聚丙烯
简述催化的基本原理及应用
简述催化的基本原理及应用催化的基本原理催化是指在化学反应中，通过加入少量的物质（催化剂），来提高反应速率、降低反应能量，从而加速反应的过程。
催化剂是一种能够通过改变反应的反应机理，降低反应活化能的物质。
催化剂通常不参与反应，可以在反应结束后重新被收集和使用。
催化的基本原理可以归结为两个主要方面：活化能和反应速率的影响。
1. 活化能的降低催化剂能够通过两种方式降低反应的活化能：•提供一个能够吸附反应物的表面，使得反应物能够更容易相互靠近，从而增加反应速率。
•提供一个新的反应途径，能够降低反应物达到其过渡态的能量，从而降低反应的活化能。
2. 反应速率的影响催化剂对反应速率的影响主要体现在以下两个方面：•催化剂能够提供有利于反应进行的表面，并吸附反应物分子，使其更容易与其他反应物分子发生碰撞，从而增加反应速率。
•催化剂能够提供新的反应途径，使得反应物分子能够更容易地转化为产物，并降低反应的反应能量。
催化的应用催化在化学工业中拥有广泛的应用。
下面列举了一些常见的催化应用：1.石油加工催化剂–催化裂化：通过催化剂将高沸点的石油分子裂解成低沸点的化合物，用来制造汽油、润滑油等产品。
–催化氢化：使用催化剂将不饱和烃类转化为饱和烃类，同时除去杂质，提高产品质量。
–催化重整：通过催化剂将低辛烷值的烃类转化为高辛烷值的烃类，提高汽油质量。
2.化学合成催化剂–催化剂在有机合成中广泛应用，例如用催化剂合成药物、染料等有机化合物。
–催化剂在无机合成中也有重要应用，例如用催化剂合成催化剂、陶瓷材料、电子材料等。
3.环境保护催化剂–尾气净化催化剂：用于汽车尾气中有害气体的转化和去除，减少对环境的污染。
–污水处理催化剂：通过催化剂将污水中的有机物和有害物质转化为无害物质，提高水质。
4.生物催化–酶催化：利用天然酶或改造的酶作为催化剂，加速生物反应，例如发酵、合成生物活性物质等。
以上只是催化的一些基本原理及应用的简述，实际上催化在化学领域的应用非常广泛，涉及到多个领域。
三元催化的工作原理
三元催化的工作原理
三元催化是指在催化剂中含有三种不同类型的活性组分，常见的是铂(Pt)、钯(Pd)和铑(Rh)等金属。
三元催化剂的工作原理是通过催化剂表面的活性位点吸附反应物，提供必要的反应活性位点，从而促进反应的发生。
具体而言，三元催化剂的工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 吸附：反应物分子在催化剂表面的活性位点上吸附。
在吸附过程中，反应物的化学键发生变化，使其更易于与其他反应物发生反应。
这一步骤在催化剂表面产生吸附物种。
2. 活化：吸附物种通过吸附和解离，使其成为可以参与反应的活性种。
活性种的形成通常需要一定的能量，这个能量称为活化能。
催化剂的存在可以降低活化能，使反应更容易发生，从而提高反应速率。
3. 反应：活性种与其他反应物发生化学反应。
在反应过程中，化学键的断裂和形成，产生新的化学物质。
催化剂提供了有效的反应路径，降低了反应物与活性种之间的能垒，加速反应速率。
4. 解吸：反应产物在催化剂表面从活性位点上解吸。
解吸过程中，反应产物分子从活性位点脱离，重新进入气相或溶液相。
同时，催化剂表面的活性位点重新变得可用。
通过上述步骤，三元催化剂能够在化学反应中起到促进剂的作
用。
三元催化剂的优势在于不同金属的配合能够提供更多类型的活性位点，从而更好地适应不同反应的需求，提高反应的选择性和效率。
催化的应用原理
催化的应用原理1. 催化反应的基本概念催化是一种通过添加催化剂来加速化学反应速率的方法。
催化剂是一种物质，它能够在反应中参与并加速反应速度，而且在反应结束后可以重新回到原始状态，不被消耗。
催化反应在许多工业和生物过程中都得到了广泛应用，例如化工生产、能源转换、环境保护等领域。
2. 催化反应的核心原理催化反应的核心原理是降低反应活化能，从而加速反应速率。
在化学反应中，反应物需要克服能垒才能转变为产物。
而催化剂通过提供新的反应途径，降低了反应的能垒，使得反应能够以更低的能量开启。
这样，反应物与催化剂共同形成中间体，然后经过一系列反应步骤生成最终产物。
3. 催化反应的基本步骤催化反应可以分为三个基本步骤：吸附、反应和脱附。
3.1 吸附催化剂与反应物之间发生吸附作用，催化剂表面上的活性位点吸附反应物分子。
这个吸附过程可以通过物理力学和化学作用力来实现，例如静电作用、范德华力等。
3.2 反应吸附在催化剂表面上的反应物分子发生化学反应。
催化剂的活性位点提供了合适的环境和条件，使得反应物能够以更低的能量进行反应。
在这个过程中，反应物分子之间重新排列，化学键的形成和断裂，生成新的分子。
3.3 脱附生成的产物从催化剂表面脱附，重新进入反应体系。
催化剂则重新回到原始状态，等待下一轮反应的发生。
4. 催化剂的种类和作用方式4.1 催化剂的种类催化剂可以分为两类：阳离子催化剂和阴离子催化剂。
阳离子催化剂是指催化剂本身是带正电荷的离子，例如H+、Ag+等；阴离子催化剂则是指催化剂本身是带负电荷的离子，例如OH-、CO32-等。
4.2 催化剂的作用方式催化剂可以通过多种方式来加速反应速率，包括以下几种方式：•提供正确的反应活化能路径：催化剂提供了一个更佳的反应途径，使得反应物能够以更低的能量进行反应。
•降低反应物之间的排斥力：催化剂与反应物发生吸附后，可以改变反应物分子之间的排布，减少排斥力，促进反应进行。
•改变反应物的构型：催化剂能够改变反应物的构型，使得反应物分子更容易发生变换。
催化原理技术PPT课件
任课教师：童东革 联系方式：
催化原理技术
教材
参考书：王桂茹主编《催化剂和催化作用》 李玉敏编著 《工业催化原理》 吴 越编著 《催化化学》 黄仲涛主编 《工业催化》 储伟 主编 《催化剂工程》 辛勤 主编 《现代催化研究方法》
基础知识参考书： 结构化学、量子化学 晶体化学、无机化学 有机化学、物理化学
催化原理技术
2 光催化的 pH 值的影响
液相反应中 pH 值的改变可对于光催化反应有重要的 影响，可以从两个方面去考虑 pH 值对光催化反应的 影响：一方面 pH 的变化会使表面的羟基溶度发生改 变，导致导带和价带的位置发生移动；另一方面 pH 变化可以改变催化剂的表面性质，同时影响反应底物 或中间产物的形态，从而改变底物和催化剂间的吸附 作用。
催化原理技术
4 催化剂用量的影响
在液相反应中，光催化剂的用量通过对催化剂 与降解物的平均距离、总比表面积和 UV 光穿 透深度的影响，从而对光催化降解速率产生影 响。
通常多相光催化反应速率开始时是随光催化剂 用量的增加而加速，但过量的光催化剂会增加 光的散射，并减少对光子的有效吸收而导致降 解速率减慢，因次，光催化剂的用量有一个极 值，达到这个数值之后光催化反应速率最大
催化剂表征用参考书：谱学原理、催化研究方法 工业应用相关工程参考书： 化学反应工程
催化剂工程 化工传递现象
催化原理技术
化工热力学
考试方式
开卷
上课： 看个人；不点名；愿意来的就来； 要学分的，在前两次课确认一下
每次上两节课；后两节做作业；
课件：基础类；应用类
催化原理技术
半导体光催化原理与技术
催化原理技术
5 比表面积
一般的多相催化反应，在反应物充足的条件下， 当催化剂表面的活性中心密度一定时，比表面积 越大则活性越高。但对于光催化反应，它是由光 生电子-空穴引起的氧化还原反应，在催化剂的 表面不存在固定的活性中心。因此，光催化剂的 比表面积的大小是决定了反应物质吸附量的重要 因素，在其它因素相同时，比表面积越大则吸附 能力越强，活性也越高。但是，对催化剂的热处 理不充分时，具有大的比表面往往结晶度较低， 有更多的复合中心，也会出现活性降低的情况
《催化原理》教学大纲
《催化原理》教学大纲二、课程目的和任务催化原理课程是化学工程与工艺专业的必修专业课以及其他相关专业的选修课。
催化剂在现代化学工业中占有重要的地位,了解和掌握催化剂与催化作用的基本原理对于化学工程与工艺专业以及相关专业的学生是具有相当重要的意义。
通过对本课程的学习，使学生了解目前工业生产和科学研究中最常用的四大类型催化剂，即酸碱催化剂、金属催化剂、过渡金属氧化物催化剂和络合物催化剂。
掌握催化作用基础，各类催化剂的组成、结构、催化反应、催化作用原理以及催化剂的工业应用和典型实例的剖析。
三、本课程与其它课程的关系本课程是在无机化学、有机化学、物理化学等课程的基础上，综合运用先修课程的基础知识，分析和解决化工生产与科学研究中催化剂与催化作用的问题,同时为今后的工作与进一步学习化工中的其它专业知识提供理论基础。
四、教学内容、重点、教学进度、学时分配（一）绪论(1学时)1、主要内容催化剂与催化作用的重要性；催化科学的发展及特点。
2、重点催化剂、催化作用概念3、教学要求了解本课程的性质、任务和内容，了解催化学科的发展及重要性。
（二）催化剂与催化作用的基础知识(3学时)1、主要内容催化作用的特征；催化作用的分类；固体催化剂的组成和结构层次；催化剂的反应性能及工业对催化剂的要求；多相催化反应系统分析。
2、重点催化作用的基本特征，固体催化剂的组成。
3、教学要求了解催化作用的基础知识，掌握催化作用的基本特征和固体催化剂的组成和结构层次。
利用催化作用的基本特征解决一些实际问题。
（三）催化剂的吸附、表面积、孔结构(2学时)1、主要内容催化剂的物理吸附和化学吸附；化学吸附类型和化学吸附态；吸附平衡与吸附等温方程；催化剂的表面积及孔结构。
2、重点物理吸附和化学吸附鉴别，吸附平衡，化学吸附态。
3、教学要求了解催化剂的物性及主要表征方法，催化剂的吸附。
（四）金属催化剂及其催化作用(8学时)1、主要内容金属催化剂的应用及催化作用；金属催化剂的化学吸附；金属催化剂电子因素与催化作用的关系；金属催化剂晶格结构与催化作用的关系；负载型金属催化剂及其催化作用；合金催化剂及其催化作用；金属催化剂催化作用的典型反应分析。
催化
HR-TEM of ZSM-5
双功能催化剂(dual-function catalysts)在催化重整和异构 双功能催化剂 在催化重整和异构 中的应用 双功能催化剂组成：分散在酸性载体上的过渡金属 过渡金属：催化加氢-脱氢 酸性载体：异构化
Pt/Al2O3 dual-function catalyst MCP: methylcyclopentane He: n-hexane i-He: isohexane CH: cyclopentane CHde: cyclohexadiene B: benzene
加氢脱硫/加氢脱氮 加氢脱硫 加氢脱氮: Co/MoS2, Ni/WS2 supported on Al2O3; 加氢脱氮 氢源技术: 氢源技术 catalytic hydrocarbon reforming & catalytic steam-reforming 烃类的选择脱氢/选择氧化 烃类的选择脱氢 选择氧化 烯烃的歧化反应 烯烃的聚合反应: 烯烃的聚合反应 Ziegler-Natta 催化剂(TiCl3/MgCl2)
第一章 绪论
一、催化科学的重要性 催化(catalysis)：催化科学，催化技术和催化作用。 催化科学：研究催化作用的原理 催化技术：催化作用原理的具体应用 催化技术是现代化学工业，环境保护的支柱。 “The economic contribution of catalysis is as remarkable as the phenomenon itself. Approximately one third of material gross national p r o d u c t i n t h e US i n v o l v e s a c a t a l y t i c p r o c e s s somewhere in the production chain. Confining analysis to the chemical industry, the proportion of processes using catalysts is 80% and increasing.” Chemistry & Industry, Jan 21, 2002, Page 22
催化原理 单玉华-常州大学
金属有机化合物
英国 威尔金森(G. Wilkinson)
1981 日本 福井谦一(K. Fukui)
化学反应中的轨道对称性和前线轨道
霍夫曼(R. Hoffmann)
1983 美国 陶伯(H. Taube)
1988 德国 德国
戴森霍菲尔(J. Deisenhofer)
胡伯尔(R. Huber)
金属配合物中的电子转移和固氮反应 机理
Changzhou university Principle of Catalysis
单玉华
(86330360)
化学与化工学院
本课程内容
绪论 催化剂与催化作用基础 各类催化剂与催化作用 催化剂表征 催化剂的工业应用
推荐参考书
一、期刊 催化学报；分子催化；物理化学学报；高等学校化学
光合作用中蛋白质的结构
德国 米歇尔(H. Michel)
1989 美国 奥尔特曼(S. Altman) RNA的催化作用
美国 盖茨(T. R. Cech)
1992 1997
1998 1999 2001
2005
2007
美国 美国 丹麦 英国 美国 美国 美国
(埃 及) 美国 日本 美国
法国 美国 美国 德国
学报；石油化工；工业催化；journal of catalysis; applied catalysis(A,B);journal of molecular catalysis; catalysis today; topics in catalysis;surface science; catalysis letters; advances in catalysis; catalysis review. 二、书目
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烯烃及芳烃
清洁剂、肥料、药品、 涂料、塑料、合成纤维等
催化与其它学科的关系
化学反应工程 化学工艺学
无机化学 金属有机化学 固态化学 界面化学及胶体化学
催化剂
物理化学；化学热力学 化学动力学；分析化学
现代物理手段；结构化学 波谱分析；分析化学 反应机理；表面化学
催化是什么？
• 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）。
• 在有催化剂作用的条件下,对汽油馏分中的烃类 分子结构进行重新排列成新的分子结构的过程 叫催化重整。
• 石油炼制过程之一，加热、氢压和催化剂存在 的条件下，使原油蒸馏所得的轻汽油馏分（或 石脑油）转变成富含芳烃的高辛烷值汽油（重 整汽油），并副产液化石油气和氢气的过程。
催化重整(Catalytic Reforming)
催化原理
重要性
催化剂的研究和开发，是现代化学工业的核心 问题之一，现代化学工业的巨大成就，是同使用 催化剂联系在一起的。
目前，90％以上的化工产品，是借助催化剂 生产出来的。“没有催化剂，就不可能建立近代 的化学工业”的说法，并非言过其实。
重要性
催化剂应用领域，化学品占43%，石油炼制约 占25%，控制污染约占22%，其他占10%。
Hydrogen
-
Liquefaction to crude-oil -
-
substitute
Biomass
Hydrolysis Fermentation Hydrogenolysis Transesterification
Ethanol
Alkanes Fatty acid esters
Ethanol
Alkanes Biodiesel
甘油催化氧化的路径
OH
HO
OH
甘油
OH
O
OH
甘油醛
OH
HO
OH
O
甘油酸
OH
HO
OH
OO
羟基丙二酸
O
HO
OH
OO
羰基丙二酸
O
HO
OH
二羟基丙酮
O
HO
OH
O
羟基丙酮酸
催化剂：金、铂和钯
OH OH
O
乙醇酸
O OH
HO O
乙二酸
石油
石油炼制 石油化工
脱硫 催化裂化 催化重整
二段蒸汽转化 Ni/难熔载体
高温变换 Fe3O4/Cr2O3
加氢脱硫 Co,Mo硫化物 分散在氧化铝上
水 燃料 空气 天然气、重油 氢气
低温变换 Cu/ZnO/Al2O3
二氧化碳 氨
氨合成 Fe/K/CaO/Al2O3
甲烷化 Ni/Al2O3
CO2脱除
合成氨- 综合催化化工过程
煤化学：
1920年：费托（F-T）合成，煤生产合成气 (CO+H2)制烃 催化剂（Fe, Co, Ni 和Ru）。
• 石油炼制 • 石油化工 • 煤化工 • 精细化工 • 无机化工 • 环境催化 • 生物质催化 • 替代能源催化
发展史
1、工业发展
生物催化 — 公元前，中国发酵酿酒和制醋的方法; 非生物催化 — 有两百年的历史，现已有90%的化学工 业过程含有催化过程。
硫酸的生产：
1740年：开始硫磺和硝酸钾燃烧法生产硫酸，玻 璃反应器；
光催化机理研究、生物催化机理—酶的研究、 茂金属和后过渡金属有机化合物的催化研究
催化理论的发展
20年代：活性的化学吸附理论 催化剂活性中心概念
泰勒 （Taglor ）
几何对应理论 巴兰金 (Balandin)
30年代：活性基团理论 柯巴捷夫 （Kobozev)
50年代：能量对应原理 巴兰金 （补充了自己的理论）
1)更新原料路线，采用更廉价的原料； 2)革新工艺流程，促进新工艺过程的开发； 3)缓和工艺操作条件，达到节能降耗的目的； 4)开发新产品，提高产品的收率，改善产品的质量； 5)消除环境污染。
Ni
工业催化剂发明大事记（三）
首次工业 化年份
过程或催化剂
1963 低压合成氨
1964 烃类加氢
乙烯氧氯化
1967 石油催化重整
产品或用途
催化剂主要成分
NH3 脱硫净化 氯乙烯 燃料
Fe等 CoO-MoO3/Al2O3 CuCl2/ Al2O3 Pt-Re/ Al2O3
1970 1976 1978
• 重整汽油可直接用作汽油的调合组分，也可经 芳烃抽提制取苯、甲苯和二甲苯。
• 副产的氢气是石油炼厂加氢装置（如加氢精制、 加氢裂化）用氢的重要来源。
催化重整 (Catalytic Reforming)
所化 ①学环用反烷应催烃包脱化括氢以剂；下为四种：主要反应： 氧②烷化烃铝脱氢载环体化上； 载贵金属，如铂、 铼③ ④异加、构 氢铱化 裂； 化、。铑等。
Crude oil
Refining Reforming Hydrodesulphurizaion etc.
Alkenes Aromatics
High-octane petrol Aviation gasoline Fuel oil Diesel oil
Natural gas
Oxidation Dedydrogenation Steam-reforming
石油炼制与石油化工中，每消耗 1美元催化剂 可生产价值195美元的产品。
Present and future routes to organic chemicals
and hydrocarbon fuel
Source Treatment
Chemical product Fuel product
芳烃 多种石油化工产 品 多种药物
催化剂主要成分
ZSM-5分子筛
1990
NOx加氨还原 催化燃烧
约1990 茂金属催化剂
环境保护 环境保护 新型聚烯烃
V2O5 - TiO2
Pd, Pt, Rh/SiO2 均相，茂-ZrCl2甲基氯氧烷等
世界催化科学重大进展年度表
1937年 探讨催化反应中正碳离子的作用 1938年 表面积的精确测定 1939年 研究催化中的扩散作用 1950年 固态金属催化剂的作用机理 1953年 双功能催化概念的提出 1962年 裂化催化剂的分子筛的研究 1967年 双金属重整催化剂的研究 1970年 — 2000年 电子理论研究催化机理、
1746年：铅室法，选用 催化剂NO2； SO2 SO3 工业催化剂开始。
1831年：为提高效率改用 Pt 催化剂，接触法生 产硫酸的开始;
1890年：催化剂 V2O5 -K2SO4/硅藻土使用， 一直沿用至今。
合成氨生产：
1909年，F Haber发明高压法(锇催化剂，17-20MPa, 500~600℃)合成氨过程，获得6%产品。Haber因此而 获得1918年Nobel Prize。
甲醇低压合成 NOx加氢还原 甲醇制汽油 甲醇羰基化
CH3OH 环境保护 合成燃料 醋酸
Cu-ZnO/ Al2O3 贵金属 ZSM-5分子筛 均相，RhI2(CO)2
工业催化剂发明大事记（四）
首次工业 化年份
1980
1982
约1986
过程或催化剂
甲醇芳构化 结晶硫酸铝分子 筛 特种立构合成
产品或用途
甲醇催化利用途径
石油的催化裂化——生产高辛烷值汽油
1928年发现的多孔白土催化剂应用于重油裂化过程 (cracking technology)，生产了高辛烷值燃料(higher octane fuel) ，使得二战期间盟军战斗机获得更好的燃料；
20世纪60年代，美国Mobile公司将沸石分子筛作为新 催化材料应用于催化裂化后，催化裂化技术出现了重大突 破，炼油工业产生新的飞跃。
采用稀土促进的沸石分子筛裂化催化剂后，炼油装置的 生产能力和汽、柴油产量大幅度提高。在美国只经过短短 的四五年时间就取代了传统的硅铝催化剂，被誉为“炼油 工业的技术革命”；
1967年，发展了双金属重整催化剂（Pt-Re, Pt-Ir)，提 高了汽油品质。
催化重整 (Catalytic Reforming )
高辛烷值汽油
1951 石脑油加氢裂解 燃料
1953 1954
乙烯聚合 丙烯聚合
高密度聚乙烯 等规聚丙烯
1957 丙烯氨氧化
丙烯晴
1960 乙烯氧化
乙醛
1962
分子筛催化裂化 汽油
甲烷水蒸气转化
合成气 （CO+H2）
催化剂主要成分
Pt/Al2O3 Pt TiCl4-Al(C2H5)3 TiCl3-Al(C2H5)3 Bi2O-MoO3/SiO2 均相，Pd/Cu 沸石
反应①、②生成芳烃，同时产生氢气，反应是吸热的； 反应③将烃分子结构重排，为一放热反应（热效应不 大）；反应④使大分子烷烃断裂成较轻的烷烃和低分子 气体，会减少液体收率，并消耗氢,反应是放热的。除以 上反应外,还有烯烃的饱和及生焦等反应，各类反应进行 的程度取决于操作条件、原料性质以及所用催化剂的类 型。
近二十五年：电子因素说明催化活性
磁性与催化活性的关系
电导率、电子逸出功与催化活性
从核间距及原子结构解释过渡金属dsp杂化轨道
d—特性%与催化活性的关系等等.
催化反应过程与绿色化学工艺
新催化剂的发明，是新工艺诞生的源泉， 也是技术飞跃的动力
催化剂和催化技术的研究和应用，对国民经济的许多重 要部门是至关重要的。
酶催化，天然产物的利用，高分子合成 ， 高分子水解，新材料、纳米技术、有机合 成、药物合成等 。
工业催化剂发明大事记（一）