《催化作用原理》PPT课件 (2)
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相转移催化原理和应用ppt课件
相转移催化作用
➢ 相转移催化的转移作用 ➢ 相转移催化的活化作用 ➢ 相转移催化的提高选择性的作用
相转移催化反应体系
➢ 液—液相转移催化反应体系 ➢ 液—固相转移催化反应体系 ➢ 气—液相转移催化反应体系 ➢ 液—液—固相转移催化反应体系 ➢ 液—液—液相转移催化反应体系 ➢ 固—固—液相转移催化反应体系
相转移催化剂：冠醚及聚醚类相转移催化剂
❖ 冠醚催化原理为利用环中氧原子与金属离子形成配位化合物正离子，常用于液-固 相反应体系。冠醚催化效率影响因素有：
①冠醚孔径
冠醚
12-冠-4 15-冠-5 18-冠-6 21-冠-7
腔孔直径/nm
0.11～0.14 0.17～0.22 0.26～0.32 0.34～0.42
通式： RX + QY PTC RY + QX
Y： CN - X - RCOO- SH -
1、卤代烷的制备（RI、RF）
（1）RI 的制备
+ + CH3(CH2)7Br
PTC KI
CH3(CH2)7I
KBr
+ + CH2Cl2
PTC NaI
ClCH2I
CH2I2
+
-
PTC: n-C16H33P(n-Bu)3Br
② 季镀盐中阴离子的影响 常用的季铵盐是季铵的氯化物，因为它们制备容易、价格较便宜。如 果当亲核试剂的阴离子Nu-( 如F-、OH - ) 比Cl- 更难提取到有机相时， 就需要使用季铵酸性硫酸盐，因为HSO4- 在碱性介质中会转变成更难提 取的SO42- . 由于季铵酸性硫酸盐的制备较复杂、价格较贵，使用较少.
PTC：CTMAB，收率90.2%. 十六烷基三甲基溴化铵
催化作用原理(第一、二章)
催化作用原理《催化作用基础》课程名称：《催化作用基础》或《催化作用原理》或《催化剂与催化作用》绪论第一章催化剂与催化作用的基本知识第二章催化剂的吸附、表面积和孔结构第三章金属催化剂及其催化作用第四章半导体催化剂及其催化作用第五章酸碱催化剂及其催化作用第六章配位络合物催化剂及其催化作用第七章催化剂的评价及失活与再生第八章催化剂的设计和制备专题讲座： 1. 择形催化与高选择性催化分子筛材料2. 芳胺N-烷基化反应及其催化剂研究3. 钛硅（TS-1）分子筛的合成及催化应用4. 催化新材料：MCM-41等#现代物理测试手段与催化剂的表征：XRD，SEM，IR，NMR，UV-Vis，UV-Raman，NH3-TPD等——催化剂及其催化作用的基础研究参考书目1.王桂茹主编，王祥生审，《催化剂与催化作用》,2000年8月第1版大连理工大学出版社出版[王桂茹，李书纹编（大连工学院石油化工教研室）（讲义） 1986年] 2.吉林大学化学系《催化作用基础》编写组编，《催化作用基础》 1980年科学出版社出版3.黄开辉，万惠霖编（厦门大学化学系），《催化原理》 1983年科学出版社出版4.顾伯锷，吴震霄编，《工业催化过程导论》 1990年高等教育出版社出版5.王文兴编，《工业催化》 1982年化学工业出版社出版6.闵恩泽著，《工业催化剂的研制与开发——我的实践与探索》，1997年中国石化出版社出版7.陈连璋编著，《沸石分子筛催化》 1990年大连理工大学出版社出版8.徐如人，庞文琴，屠昆岗等著，《沸石分子筛的结构与合成》1987年吉林大学出版社出版9.天津大学编，〈〈多相催化作用原理〉〉10.高滋主编，何鸣元，戴逸云副主编，《沸石催化与分离技术》，中国石化出版社，1999年11月第1版；* 讲述内容；学习方法：学什么？怎么学？绪论一.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。
催化原理(2)04
系，则称这条曲线为吸附平衡线。
• 吸附平衡方程描述的是可逆过程的物理吸附和化 学吸附。
• 吸附平衡方程有三种类型：等温吸附平衡方程， 等压吸附平衡方程，等量吸附平衡方程。
• 等温吸附平衡方程：T一定，描述V或θ与P的关 系方程。实验测定所得V或θ与P的关系曲线，为等
温线。
• 等压吸附平衡方程：当P一定时，描述V或θ与T
Cl2 + 2M
MM
氯在金属催化剂表面上形成Cl-层，电子由 催化剂表面转移至Cl-离子层，这为氧化型 。
H2 + 2 M+2O-2
H+ M+ O-2
H+
+
M+ O-2
氢给出两个电子，在催化剂表ห้องสมุดไป่ตู้上形成H+
离子层，同时使金属离子价态降低，这样，吸附
为还原型。
（2）、缔合吸附
定义为：被吸附的吸附物分子结构未被破
的关系方程。曲线称为等压线。
• 等量吸附平衡方程：当V或θ一定时，描述P与T
的关系方程。曲线称为等量线。
一、吸附等温线的类型
五种类型的吸附等温线
• Ⅰ 型 线 ： 也 称 为 Langmuir 等 温 线 ， 能 由 Langmuir等温方程来描述。
P↑──→θ↑，但当P/P0升 到一定值时，θ不再随P/P0而变
理想吸附体系下单层吸附平衡体系下的V或θ与P
的关系。
1、Langmuir等温方程
⑴、建立Langmuir等温方程的模型条件
a、吸附剂表面是理想的、均匀的 b、吸附粒子之间无作用力、或可忽略 c、吸附物粒子只有碰撞于空的吸附位上才可被 吸附。一个吸附粒子只占据一个吸附位。（这一 条件意味化学反应动力学中所述的质量作用定律 适用于吸附体系，被称之为表面质量作用定律） d、吸附是单层的、定位的 e、当r吸＝r脱时，吸附达到平衡。
• 吸附平衡方程描述的是可逆过程的物理吸附和化 学吸附。
• 吸附平衡方程有三种类型：等温吸附平衡方程， 等压吸附平衡方程，等量吸附平衡方程。
• 等温吸附平衡方程：T一定，描述V或θ与P的关 系方程。实验测定所得V或θ与P的关系曲线，为等
温线。
• 等压吸附平衡方程：当P一定时，描述V或θ与T
Cl2 + 2M
MM
氯在金属催化剂表面上形成Cl-层，电子由 催化剂表面转移至Cl-离子层，这为氧化型 。
H2 + 2 M+2O-2
H+ M+ O-2
H+
+
M+ O-2
氢给出两个电子，在催化剂表ห้องสมุดไป่ตู้上形成H+
离子层，同时使金属离子价态降低，这样，吸附
为还原型。
（2）、缔合吸附
定义为：被吸附的吸附物分子结构未被破
的关系方程。曲线称为等压线。
• 等量吸附平衡方程：当V或θ一定时，描述P与T
的关系方程。曲线称为等量线。
一、吸附等温线的类型
五种类型的吸附等温线
• Ⅰ 型 线 ： 也 称 为 Langmuir 等 温 线 ， 能 由 Langmuir等温方程来描述。
P↑──→θ↑，但当P/P0升 到一定值时，θ不再随P/P0而变
理想吸附体系下单层吸附平衡体系下的V或θ与P
的关系。
1、Langmuir等温方程
⑴、建立Langmuir等温方程的模型条件
a、吸附剂表面是理想的、均匀的 b、吸附粒子之间无作用力、或可忽略 c、吸附物粒子只有碰撞于空的吸附位上才可被 吸附。一个吸附粒子只占据一个吸附位。（这一 条件意味化学反应动力学中所述的质量作用定律 适用于吸附体系，被称之为表面质量作用定律） d、吸附是单层的、定位的 e、当r吸＝r脱时，吸附达到平衡。
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。
金属催化作用理论ppt课件.ppt
一、能带理论与催化 1、 能带理论 • 能带的形成
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
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
催化剂及其催化作用概述ppt课件
➢ （2）负载型杂多酸固体酸催化剂。
此外，交联型固体酸催化剂（硅锆交联蒙 脱土）
精细化工
合成增塑剂
1邻苯二甲酸二酯（DOP）（由苯酐和 2-乙基己醇合成催化剂为SO2-4/TiO2Al2O3
酯化率可达99%
2己二酸二辛酯（DOA）（PVC优良耐 寒助剂（SO2-4/ZrO2-La2O3）
3蔗糖八乙酯（SO2-4/TiO2）
O
O Al O O C2H5
乙氧基
O Al O OH
高温
O
O
CH2 CH2+H2O+ HO Al O Al O
O-
O
O
HO AlH O Al
O
O
低温
O
C2H5OC2H5
C2H5 C2H5
异丙苯裂解
在B酸中心下进行
CH3 CH CH3 H + H+
HC CH3 + CH3
+ CH3CH CH3
酸性强弱与催化反应关系
➢金属氧化物表面的金属离子是L酸，氧负离 子是L碱。金属离子的电负性越大，则金属离 子的酸性越强。
➢金属氧化物的碱性也可以同电负性相关联, 但由于金属氧化物表面往往含有羟基这时的 酸碱性由M-OH中M-O的键本质决定.若M-O键强, 则解离出H+,显酸性,反之,若M-O键弱,则解离 出OH-,显碱性。
丙烯酸丁酯用于表面涂料，粘合剂，密 封剂，皮革处理剂（ SO4 2- /TiO2）
甲基丙烯酸异丁酯是耐酸耐碱性涂料的 基料SO4 2- /ZrO2-TiO2
L-H模型与E-R模型
L-H（Langmuir-Hinshelwood）
A+B+ S-S
此外，交联型固体酸催化剂（硅锆交联蒙 脱土）
精细化工
合成增塑剂
1邻苯二甲酸二酯（DOP）（由苯酐和 2-乙基己醇合成催化剂为SO2-4/TiO2Al2O3
酯化率可达99%
2己二酸二辛酯（DOA）（PVC优良耐 寒助剂（SO2-4/ZrO2-La2O3）
3蔗糖八乙酯（SO2-4/TiO2）
O
O Al O O C2H5
乙氧基
O Al O OH
高温
O
O
CH2 CH2+H2O+ HO Al O Al O
O-
O
O
HO AlH O Al
O
O
低温
O
C2H5OC2H5
C2H5 C2H5
异丙苯裂解
在B酸中心下进行
CH3 CH CH3 H + H+
HC CH3 + CH3
+ CH3CH CH3
酸性强弱与催化反应关系
➢金属氧化物表面的金属离子是L酸，氧负离 子是L碱。金属离子的电负性越大，则金属离 子的酸性越强。
➢金属氧化物的碱性也可以同电负性相关联, 但由于金属氧化物表面往往含有羟基这时的 酸碱性由M-OH中M-O的键本质决定.若M-O键强, 则解离出H+,显酸性,反之,若M-O键弱,则解离 出OH-,显碱性。
丙烯酸丁酯用于表面涂料，粘合剂，密 封剂，皮革处理剂（ SO4 2- /TiO2）
甲基丙烯酸异丁酯是耐酸耐碱性涂料的 基料SO4 2- /ZrO2-TiO2
L-H模型与E-R模型
L-H（Langmuir-Hinshelwood）
A+B+ S-S
第二章催化作用与催化剂解析PPT课件
水蒸气与铁作用生成无活性的氧化铁。干燥反应器 就能使催化剂活性恢复 。
.
30
• 不可逆中毒：不可以再生，永久的中毒。
例：① 合成氨反应混合气中，若有H2S H2S与铁反应生成硫化铁很稳定，催化剂不易复转。
② 铂重整的 砷 使铂 永久中毒。 ➢ 毒物 • 金属催化剂的毒物 ❖ Ⅴ族和Ⅵ族具有共享电子对的非金属化合物的元素。
第二章 催化作用与催化剂
.
1
2.1 催化作用的定义与特征 一、定义
催化剂是一种可以改变一个化学反应速度的物质。
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。
催化作用是指催化剂对化学反应所施加的作用。具体 地说，催化作用是催化剂活性中心对反应物分子的激 发与活化，使后者以很高的反应性能进行反应。
负载型催化剂 ：
将活性组分、助催化剂组分负载于载体上，所制得的
催化剂
① 乙烯 — 环乙烷 Ag /α－Al2O3
② 丙烯气相氧化丙烯醛反应
反应特点： 丙烯
[O] Cat
丙烯醛
对Cat要求： 提供足够表面；
具有气体分子输送的粗孔道
.
6
(2) 分类
常用载体类型
载体 低比表面
比表面 （㎡/g）
刚玉
0~1
比孔容 （ml/g）
0.2~0.3 0.5~0.9
0.25 0.3~0.5
0.3 0.4~4.0 0.3~2.0
7
➢ 高熔点载体
类别 碱性
两性
氧化物 MgO CaO Ca2SiO4 BaO Ca3SiO5 ThO2 ZrO2 CeO2 Cr2O3 La2O3
.
30
• 不可逆中毒：不可以再生，永久的中毒。
例：① 合成氨反应混合气中，若有H2S H2S与铁反应生成硫化铁很稳定，催化剂不易复转。
② 铂重整的 砷 使铂 永久中毒。 ➢ 毒物 • 金属催化剂的毒物 ❖ Ⅴ族和Ⅵ族具有共享电子对的非金属化合物的元素。
第二章 催化作用与催化剂
.
1
2.1 催化作用的定义与特征 一、定义
催化剂是一种可以改变一个化学反应速度的物质。
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。
催化作用是指催化剂对化学反应所施加的作用。具体 地说，催化作用是催化剂活性中心对反应物分子的激 发与活化，使后者以很高的反应性能进行反应。
负载型催化剂 ：
将活性组分、助催化剂组分负载于载体上，所制得的
催化剂
① 乙烯 — 环乙烷 Ag /α－Al2O3
② 丙烯气相氧化丙烯醛反应
反应特点： 丙烯
[O] Cat
丙烯醛
对Cat要求： 提供足够表面；
具有气体分子输送的粗孔道
.
6
(2) 分类
常用载体类型
载体 低比表面
比表面 （㎡/g）
刚玉
0~1
比孔容 （ml/g）
0.2~0.3 0.5~0.9
0.25 0.3~0.5
0.3 0.4~4.0 0.3~2.0
7
➢ 高熔点载体
类别 碱性
两性
氧化物 MgO CaO Ca2SiO4 BaO Ca3SiO5 ThO2 ZrO2 CeO2 Cr2O3 La2O3
《催化作用原理》课件
要点二
详细描述
智能催化与人工酶是未来催化科学与技术的重要发展方向 。通过结合智能技术和生物酶的催化机制，设计具有优异 性能的智能催化剂和人工酶。这将有助于解决一些传统催 化方法难以解决的问题，提高催化反应的效率和选择性。
感谢您的观看
THANKS
详细描述
通过建立动力学模型，可以定量描述反应速 率与反应物浓度、温度等参数之间的关系。 这有助于优化反应条件，提高催化效率。
总结词
反应机理研究方法是探索催化反应如何 发生的重要手段，对于催化剂设计和性
能改进具有指导意义。
详细描述
常用的反应机理研究方法包括同位素示踪法、中间体捕获和红外光谱等。这些方法有助于揭示反应过程中的关键 步骤和中间产物，为催化剂的优化提供理论支持。
催化剂的选择性
总结词
催化剂的选择性是指催化剂对反应物转化为目标产物的选择性，即目标产物在所有产物 中的比例。
详细描述
催化剂的选择性对工业催化过程至关重要，可以提高目标产物的产率和纯度，降低副产 物的生成。影响催化剂选择性的因素包括催化剂的组成、结构、表面性质以及反应条件
等。
催化剂失活与再生
总结词
化工生产中的催化过程
乙烯的合成
通过催化剂的作用，将乙醇转化 为乙烯，是化工生产中重要的原
料。
丙烯腈的合成
通过催化剂的作用，将丙烯和氨转 化为丙烯腈，是重要的合成材料。
苯酚的合成
通过催化剂的作用，将苯和甲醛转 化为苯酚，是重要的化工原料。
环境治理中的催化过程
汽车尾气的催化转化
通过催化剂的作用，将汽车尾气中的有害物质转化为无害物质， 降低空气污染。
03
催化剂的活性与选择性
催化剂的活性
催化作用与催化剂PPT课件
• 载体有天然的和人工合成的，可划分为低比表 面和高比表面两大类。
• 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。
• 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。
催化作用原理课件
• 1960年Sohio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。
• •
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和活动领域。 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。自 然界还存在有大量油砂和油页岩物质，因 其粘度高、挥发物含量低，硫、氮和各种 重金属含量高，用现有的加工工艺无法廉 价地提取。预计催化技术在将这类碳源转 化为液体燃料方面，必能发挥巨大作用。
• • • • •
五、基本要求 认真听讲 认真、独立完成作业 及时复习 多提意见
• 3. 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。弄清楚这个自然 界的催化过程，不仅有利于了解自然奥秘， 而且将大大提高人类利用自然、改造自然 的本领。若能将固氮酶或别的模拟酶取代 现在的合成氨催化剂，将不知道使现合成 氨工艺简单多少。故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。
• 总之，催化理论的发展还落后于它的工业 实践，尚没有普遍性的催化理论。要找到 一种能在工业上应用的新的催化剂，主要 靠实践经验和局部理论规律。催化这门科 学，无论实践上，还是理论上，都有很丰 富的研究内容且正处于不断发展之中。
• 四、催化作用原理的主要内容 • 有人认为：催化作用这门科学是物理化学 中化学动力学的一个分支。 • 均匀催化：酸、碱催化作用；络合催化作 用。 • 非均匀催化：固体酸、碱；分子筛；金属 及金属簇、合金、负载金属；金属氧化物 （包括复合金属氧化物）；金属硫化物。 • 光催化 • 生物酶催化
催化剂与催化作用优秀课件
催化剂与催化作用优秀课件
• 催化剂的基本特性
– 改变反应途径，降低反应活化能，加快反应速度（催化剂的
共性 — 活性）
N2 + 2*
2N* Key
1/2N2 ＋ 3/2H2
NH3
H2 + 2* N* + H*
2H* NH* + *
E非 能 量
E1
Fe催化反应速率＝ 3×1013 非催化反应速率 （ 500℃ 常压 ） 吸附
NO催化SO2氧化为SO3 硫酸催化乙酸与乙醇酯化
负载型钯催化乙炔选择加氢 Ziegler-Natta催化剂催化丙
烯聚合 贵金属催化硝基苯加氢 PdCl2-CuCl2水溶液催化乙
烯与氧气反应成乙醛
催化剂与催化作用优秀课件
按反应类型进行分类
反应类型 加氢 脱氢 氧化
羰基化 聚合 卤化 裂解 水合
烷基化，异构化
主要功能：活性
催化剂
载体： 高熔点氧化物 硅胶、粘土、活性炭等
主要功能： 高表面积、多孔性、 机械强度、热稳定性、 双功能（附加活性中心）
助催化剂
助催化剂： 金属、非金属等 主要功能： 对活性组分/载体改性
催化剂与催化作用优秀课件
➢ Bulk catalyst ➢ Supported catalyst
催化剂与催化作用优秀课件
➢ 电子助催化剂：改变活性组分的电子结构，从而影响反应分子的化学吸 附和反应活化能，提高催化活性和选择性
氨合成催化剂：Fe - K2O - Al2O3 K2O 为电子助催化剂（过渡元素Fe有d空轨道，电子授体K2O将 电子传给Fe，使Fe原子的电子密度增加，改变N ≡N 的 π键合， 离解能大大下降）
C2H4 + 3 O2
• 催化剂的基本特性
– 改变反应途径，降低反应活化能，加快反应速度（催化剂的
共性 — 活性）
N2 + 2*
2N* Key
1/2N2 ＋ 3/2H2
NH3
H2 + 2* N* + H*
2H* NH* + *
E非 能 量
E1
Fe催化反应速率＝ 3×1013 非催化反应速率 （ 500℃ 常压 ） 吸附
NO催化SO2氧化为SO3 硫酸催化乙酸与乙醇酯化
负载型钯催化乙炔选择加氢 Ziegler-Natta催化剂催化丙
烯聚合 贵金属催化硝基苯加氢 PdCl2-CuCl2水溶液催化乙
烯与氧气反应成乙醛
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按反应类型进行分类
反应类型 加氢 脱氢 氧化
羰基化 聚合 卤化 裂解 水合
烷基化，异构化
主要功能：活性
催化剂
载体： 高熔点氧化物 硅胶、粘土、活性炭等
主要功能： 高表面积、多孔性、 机械强度、热稳定性、 双功能（附加活性中心）
助催化剂
助催化剂： 金属、非金属等 主要功能： 对活性组分/载体改性
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➢ Bulk catalyst ➢ Supported catalyst
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➢ 电子助催化剂：改变活性组分的电子结构，从而影响反应分子的化学吸 附和反应活化能，提高催化活性和选择性
氨合成催化剂：Fe - K2O - Al2O3 K2O 为电子助催化剂（过渡元素Fe有d空轨道，电子授体K2O将 电子传给Fe，使Fe原子的电子密度增加，改变N ≡N 的 π键合， 离解能大大下降）
C2H4 + 3 O2
催化原理--2吸附与催化PPT课件
面吸附可随条件不同呈现不同的吸附态。 吸附态不同，使催化最终产物不同
-
13
2.2.3 吸附模型
L-H吸附模型与E-R吸附模型
(1) L-H (Langmuir-Hinshelwood) 模型
A+B+ S-S
ABቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
A-B
S-S
S-S
产物+ S-S
反应是通过在表面上吸附态的两种组分A、B相互作用而进行
-
• 能吸附别的物质的固体称为吸附剂，被吸附 的物质称为吸附质。
• 吸附可分为物理吸附和化学吸附。
-
4
2.1.1 物理吸附和化学吸附
• 物理吸附 是反应物分子靠范德华力（van der Waals）吸附在催化剂上，它在性质上类似于蒸汽 分子的凝聚和气体的液化。物理吸附特别有价值之 处在于它提供了测定催化剂的比表面积、孔容、平 均孔径及孔径分布的方法(Langmuir吸附等温式和 BET吸附理论)。
⑤气相产物从固体催化剂表面扩散到气体(液体）中
（内扩散→外扩散）
-
1
扩散过程: ①外扩散，②内扩散
-
2
表面化学过程： ①化学吸附，②表面反应，③脱附
-
3
2.1 多相催化作用中的吸附
有关吸附的基本概念：
• 当气体（或液体）与固体催化剂接触时，可 以在催化剂表面发生吸附现象。
• 当吸附与脱附的速度相等时，表面上分子的 数目维持在某一定量，这就是动态的吸附平衡。
可逆性: 物理吸附完全是可逆的，而且除通过极微细多 孔结构发生扩散外，平衡是很快就建立的。 化学吸附既 能是可逆的，也可能是不可逆的。吸附质脱附后发生了化 学变化，是确实发生了化学吸附的很好证据。
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2.2.3 吸附模型
L-H吸附模型与E-R吸附模型
(1) L-H (Langmuir-Hinshelwood) 模型
A+B+ S-S
ABቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
A-B
S-S
S-S
产物+ S-S
反应是通过在表面上吸附态的两种组分A、B相互作用而进行
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• 能吸附别的物质的固体称为吸附剂，被吸附 的物质称为吸附质。
• 吸附可分为物理吸附和化学吸附。
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2.1.1 物理吸附和化学吸附
• 物理吸附 是反应物分子靠范德华力（van der Waals）吸附在催化剂上，它在性质上类似于蒸汽 分子的凝聚和气体的液化。物理吸附特别有价值之 处在于它提供了测定催化剂的比表面积、孔容、平 均孔径及孔径分布的方法(Langmuir吸附等温式和 BET吸附理论)。
⑤气相产物从固体催化剂表面扩散到气体(液体）中
（内扩散→外扩散）
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1
扩散过程: ①外扩散，②内扩散
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2
表面化学过程： ①化学吸附，②表面反应，③脱附
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2.1 多相催化作用中的吸附
有关吸附的基本概念：
• 当气体（或液体）与固体催化剂接触时，可 以在催化剂表面发生吸附现象。
• 当吸附与脱附的速度相等时，表面上分子的 数目维持在某一定量，这就是动态的吸附平衡。
可逆性: 物理吸附完全是可逆的，而且除通过极微细多 孔结构发生扩散外，平衡是很快就建立的。 化学吸附既 能是可逆的，也可能是不可逆的。吸附质脱附后发生了化 学变化，是确实发生了化学吸附的很好证据。
催化原理(2)02
物质结构、 组成、 表面形貌、 表面结构、 表面组成
负载型催化剂微区A
物质结构、 组成、 表面形貌、 表面结构、 表面组成
催化剂的研究开发与催化剂的构造层次
• 综上所述，每个构造层次都会对催化剂的催
化性能产生影响 ，因此一个优良的催化剂往往 具有这四个构造层次的最优配置。 • 不同的研究目的及其催化剂的开发，对这四个 构造层次的着重点不同，
积为催化剂的活性表面积。
4、构成催化剂内外表面的物
质结构和组成
• 催化剂的表面仅是反应物与催化剂相接 触的界面，它本身不可能与反应物分子 发生化学作用，使其活化 。
• 第四层次： 构成这些表面的物质结构、表面形
貌、表面结构、表面组成 、活性组份原 子或离子的排布方式才是真正起催化作 用的原因。
非负载型催化剂微区A
Pt重整催化剂Pt-Sn/γ-Al2O3中，活性组份由Pt和γAl2O3组成 ，这种催化剂也称之为双功能催化剂。
• 2、助催化剂，简称：助剂
催化剂中那些少量的无催化活性或极低催 化活性的物质，它的存在极大地改善了催化剂 的活性、选择性和稳定性，这样物质称之为：
助催化剂 。
调变性助剂，或称：电子性助剂 结构性助剂 提高催化剂稳定性助剂
• 催化剂的形状常见有：园柱形（实心园柱形、 拉西环状）；球形；粒形；其它特殊形（如： 挤条状、蜂窝状、星形状等）
Pellet
Ring
Extrudate. Sphere
Fragment Pellet with several chanels.
Monolith.
2、催化剂的孔及其孔结构
从催化剂固体的内部看，催化剂内存在着许
许多多的大小不一的孔。
孔半径(nm) 测定方法
负载型催化剂微区A
物质结构、 组成、 表面形貌、 表面结构、 表面组成
催化剂的研究开发与催化剂的构造层次
• 综上所述，每个构造层次都会对催化剂的催
化性能产生影响 ，因此一个优良的催化剂往往 具有这四个构造层次的最优配置。 • 不同的研究目的及其催化剂的开发，对这四个 构造层次的着重点不同，
积为催化剂的活性表面积。
4、构成催化剂内外表面的物
质结构和组成
• 催化剂的表面仅是反应物与催化剂相接 触的界面，它本身不可能与反应物分子 发生化学作用，使其活化 。
• 第四层次： 构成这些表面的物质结构、表面形
貌、表面结构、表面组成 、活性组份原 子或离子的排布方式才是真正起催化作 用的原因。
非负载型催化剂微区A
Pt重整催化剂Pt-Sn/γ-Al2O3中，活性组份由Pt和γAl2O3组成 ，这种催化剂也称之为双功能催化剂。
• 2、助催化剂，简称：助剂
催化剂中那些少量的无催化活性或极低催 化活性的物质，它的存在极大地改善了催化剂 的活性、选择性和稳定性，这样物质称之为：
助催化剂 。
调变性助剂，或称：电子性助剂 结构性助剂 提高催化剂稳定性助剂
• 催化剂的形状常见有：园柱形（实心园柱形、 拉西环状）；球形；粒形；其它特殊形（如： 挤条状、蜂窝状、星形状等）
Pellet
Ring
Extrudate. Sphere
Fragment Pellet with several chanels.
Monolith.
2、催化剂的孔及其孔结构
从催化剂固体的内部看，催化剂内存在着许
许多多的大小不一的孔。
孔半径(nm) 测定方法
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5
• 1981年IUPAC又提出定义：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。这种作用称 为催化作用。近来在国内文献中，又出现 如下的定义：“催化是加速反应速度、控 制反应方向或产物构成，而不影响化学平 衡的一类作用。起这种作用的物质称为催 化剂。”
10
• 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和活动领域。
• 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。自 然界还存在有大量油砂和油页岩物质，因 其粘度高、挥发物含量低，硫、氮和各种 重金属含量高，用现有的加工工艺无法廉 价地提取。预计催化技术在将这类碳源转 化为液体燃料方面，必能发挥巨大作用。
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• 3. 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。弄清楚这个自然 界的催化过程，不仅有利于了解自然奥秘， 而且将大大提高人类利用自然、改造自然 的本领。若能将固氮酶或别的模拟酶取代 现在的合成氨催化剂，将不知道使现合成 氨工艺简单多少。故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。
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• 三、催化理论发展
• 1925年，泰勒，活性中心理论，并不是 催化剂的全部表面都有活性，而只有某 些部位，如催化剂晶体的边、角、晶面 结构中的缺陷等才具有活性。
• 1929年，巴兰金，几何对应原理：催化 剂晶体的结晶格子是催化活性中心，结 晶格子的结构和几何尺寸与反应分子的 几何尺寸必须相对应才能发生催化现象。
• 在这之后，催化研究得到了广泛开展。
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3
• 1894年，德国化学家W. Ostwald （1853―1932）认为催化剂是一种可以改 变一个化学反应速度，而又不存在于产物 中的物质并於1902年定义催化作用为“加 速反应而不影响化学平衡的作用”。
• 近百年来，关于“催化剂及催化作用”有 种种不同的文字表述，例如，长期以来， 文献中多使用如下定义：“催化剂是一种 能够改变化学反应的速度，而它本身又不 参与最终产物的物质。催化剂的这种作用， 叫做催化作用。”
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• 1955年，巴兰金，能量对应原理，反应分 子与催化剂还必须有结合的能量条件。上 述两方面总括为Fasarcgurl的多位理论，活 性中心理论的一个发展。
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• 光、电子、热及磁场等物理因素，虽有时 也能引发并加速化学反应，但所起的作用 一般也都不能称为催化作用（特殊的可称 为电催化或光催化作用等，有专门研究 ）
• 引发剂与催化剂也有区别，它虽可引发和 加速高分子的键反应，但在聚合反应中本 身也被消耗，并最终进入了聚合产物的组 成中。
• 阻聚剂，而不适于叫负催化剂。
• 这里不再说“催化剂”是“用量极少”的 了。
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6
• 由上述可知，随着实践的发展，人们对催 化剂及催化作用的认识是不断深入的。
• 事实上，目前的工业催化剂是指一种化学 品或生物物质或多种这些物质组成的复杂 体系。如酶、配合物（络合物），一种气 体分子、金属、金属氧化物、金属硫化物、 复合氧化物等固体表面上的若干分子、原 子、原子簇等等。它们在反应中所起的作 用是化学方面的。
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4
• 1976年IUPAC（国际理论及应用化学协会） 公布的催化作用的定义是：“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”。并解释说，催化剂能 使反应按新的途径、通过一系列基元步骤 进行，催化剂是其中第一步的反应物、最 后一步的产物，亦即催化剂参与了反应， 但经过一次化学循环后又恢复到原来的组 成。
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13
• 时至今日，一个实际可用的催化剂的开发， 依然被认为是一种“技艺”，尚无完善的 科学原理可循。要解决科学地选择催化剂 的问题，需要弄清许多基本问题。如催化 活性中心是怎样形成的？它在反应过程中 如何中变化？等等。这类问题至今尚无明 确答案，因此催化理论也是当代科学中被 广泛重视的课题。
精选课件p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NOX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， 目前虽已提出很多种方法，如改用清洁燃 料，重新设计发动机等，采用催化燃烧技 术也能达到控制目的。
• 水和其他溶剂 ，溶剂效应——物理作用。
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8
• 二、催化科学与技术的重要性
• 1. 催化技术的进展对石油、化学工业的 变革起着决定性的作用。
• 1923年，BASF公司以ZnO-Cr2O3为催化 剂开发成功高压法由合成气生产甲醇的 工艺
• 1970年代，ICI公司开发成功以Cu-ZnOAl2O3(Cr2O3)为催化剂的低压法合成气生 产甲醇的新工艺，很快又开发出中压法 工艺，使甲醇生产有很大提高。
催化作用原理
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1
第一章 绪论
• 一、催化剂与催化作用 • 生物化学过程，酶 • 发酵方法酿酒、制醋 • 记载有“催化现象”的资料，却只可以
追溯到1597年由德国炼金术士A. Libavius（1540―1616）著的 “Alchymia”一书
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2
• “催化作用”作为一个化学概念，则直至 1836年才由瑞典化学家J. J. Berzelius （1779―1848）在其著名的“二元学说” 基础上提出来，认为具有催化作用的物质， 除和一般元素和化合物一样，由电性相异 （正、负）的两部分组成（二元）之外， 还具有一种所谓的催化力。
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9
• 1960年Sohio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。
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