6 金属氧化物催化剂汇总
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Catalysis Chemistry
6. 过渡金属氧化物催化剂 及其催化作用
6.1 催化剂的应用
主要催化氧化还原性反应
催化剂主要是过渡族元素 IV B～VIII B和 IB、 IIB副族元素的氧化物。而且催化剂多 由两种或多种氧化物组成。
这些氧化物具有半导体性质，所以又称氧 化物催化剂为半导体催化剂。 为什么这些氧化物能用于氧化还原型催化反 应呢？
Zn2+ O2- Zn2+ O2- Zn2+ O2O2- Zn2+ O2- Zn2+ O2- Zn2+
Zn2+ O2- Zn2+ O2- Zn2+ O2-
（2） 用高价离子取代晶格中正离子
（3）通过向氧化物晶格间隙掺入电 负性小的杂质原子 Li + Zn 2+ Li+ + Zn+
P type
6.2 过渡金属氧化物催化剂的电子特性
金属氧化物中金属阳离子的d电子容易失 去或得到电子 过渡金属氧化物多具有半导体性质
6.3 Theory of semiconductor energy belt
6.3.1 Energy belt
2个Na+ N个Na 2×3S1 N×3S1
Back
5-10eV
Back
吸量大, 且使导电率升高.
Reaction [加氢，脱氢]
6.5.2 On p-type
Adsorption
(1) 吸附氧(O 2-)
吸量大, 且使电导率升高。
(2)吸附氢 ( H+ )
吸量小, 且使导电率下降.
Reaction [氧化]
6.5.3 吸附态分子带电情况
6.6 氧化物催化剂的半导体机理
(1) 正离子缺位的非化学计量的氧化物
Ni2+ O2- Ni2+ O2- Ni2+ O2O2- Ni2+ O2O2- Ni2+
NiO中Ni缺位。
Ni2+ O2- Ni2+ +⊕ O2- Ni2+ +⊕ O2O2- Ni2+ O2- Ni2+ O2- Ni2+
Ni3+≡ Ni2++⊕
acceptor
（2）用低价正离子取代
（3）向晶格掺入电负性大的间隙原子
F + Ni 2+ F- + Ni 3+
6.5 Adsorption and Reaction on Metal Oxide 6.5.1 On n- type Adsorption (1) 吸附氧(O 2-)
吸量很小, 且使电导率下降。
(2) 吸附氢 ( H+ )
（吸附氧参与）
例如：
2N2O
MO
2N2 + O2
Mechanism
Activity:
p > n.
Explain
υ① >> υ② or υ③
P导带能级 < N导带能级 而②，③是慢步骤，P导带易接受O- 电子， 加速了反应。
p
n
6.7 Oxygen species and their function
2）
N型半导体氧化物型酒精测试仪
ZnO， SnO2等 酒精 + O2= CO2+ H2O
2)
交警用酒精检测仪
燃料电池酒精传感器 燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源，它 可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染，酒精传感 器只是燃料电池的一个分支。燃料电池酒精传感器采用贵金 属白金作为电极，在燃烧室内充满特种催化剂，使进入燃烧 室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生 电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃烧室内气体 的酒精浓度成正比 。 与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性 好，精度高，抗干扰性好的优点。但是由于燃料电池酒精传感 器的结构要求非常精密，制造难度相当大，目前（2009年）只 有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产，加上材料成本 高，因此价格相当昂贵，是半导体酒精传感器的几十倍。酒精 浓度测试仪 - 辅助设备 。
0.2-3eV
6.3.2 半导体分类
Ef 费米能级（最高占有与最低未占轨道中间），电子平均位能 逸出功 =最高未占轨道能量- Ef
6.4 半导体的形成 n type
（1） 含有过量金属原子的非化学计量化合物
ZnO中Zn过量，它 存在于晶体内间隙 处，Zn+束缚一个e ，以保持中性。
Zn+e is called donor
① O2-, O-是强亲电反应物，导致完全氧化。
② O2-（晶格氧）是亲核试剂，没有氧化性 质，用于选择氢化。
6.8酒精测试仪
可以对气体中酒精 含量进行检测的设备有五 种基本类型，即：燃料电 池型（电化学）、半导体 型、红外线型、气体色谱 分析型、比色型。但由于 价格和使用方便的原因， 目前常用的只有燃料电池 型（电化学型）和半导体 型两种。
6. 过渡金属氧化物催化剂 及其催化作用
6.1 催化剂的应用
主要催化氧化还原性反应
催化剂主要是过渡族元素 IV B～VIII B和 IB、 IIB副族元素的氧化物。而且催化剂多 由两种或多种氧化物组成。
这些氧化物具有半导体性质，所以又称氧 化物催化剂为半导体催化剂。 为什么这些氧化物能用于氧化还原型催化反 应呢？
Zn2+ O2- Zn2+ O2- Zn2+ O2O2- Zn2+ O2- Zn2+ O2- Zn2+
Zn2+ O2- Zn2+ O2- Zn2+ O2-
（2） 用高价离子取代晶格中正离子
（3）通过向氧化物晶格间隙掺入电 负性小的杂质原子 Li + Zn 2+ Li+ + Zn+
P type
6.2 过渡金属氧化物催化剂的电子特性
金属氧化物中金属阳离子的d电子容易失 去或得到电子 过渡金属氧化物多具有半导体性质
6.3 Theory of semiconductor energy belt
6.3.1 Energy belt
2个Na+ N个Na 2×3S1 N×3S1
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5-10eV
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吸量大, 且使导电率升高.
Reaction [加氢，脱氢]
6.5.2 On p-type
Adsorption
(1) 吸附氧(O 2-)
吸量大, 且使电导率升高。
(2)吸附氢 ( H+ )
吸量小, 且使导电率下降.
Reaction [氧化]
6.5.3 吸附态分子带电情况
6.6 氧化物催化剂的半导体机理
(1) 正离子缺位的非化学计量的氧化物
Ni2+ O2- Ni2+ O2- Ni2+ O2O2- Ni2+ O2O2- Ni2+
NiO中Ni缺位。
Ni2+ O2- Ni2+ +⊕ O2- Ni2+ +⊕ O2O2- Ni2+ O2- Ni2+ O2- Ni2+
Ni3+≡ Ni2++⊕
acceptor
（2）用低价正离子取代
（3）向晶格掺入电负性大的间隙原子
F + Ni 2+ F- + Ni 3+
6.5 Adsorption and Reaction on Metal Oxide 6.5.1 On n- type Adsorption (1) 吸附氧(O 2-)
吸量很小, 且使电导率下降。
(2) 吸附氢 ( H+ )
（吸附氧参与）
例如：
2N2O
MO
2N2 + O2
Mechanism
Activity:
p > n.
Explain
υ① >> υ② or υ③
P导带能级 < N导带能级 而②，③是慢步骤，P导带易接受O- 电子， 加速了反应。
p
n
6.7 Oxygen species and their function
2）
N型半导体氧化物型酒精测试仪
ZnO， SnO2等 酒精 + O2= CO2+ H2O
2)
交警用酒精检测仪
燃料电池酒精传感器 燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源，它 可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染，酒精传感 器只是燃料电池的一个分支。燃料电池酒精传感器采用贵金 属白金作为电极，在燃烧室内充满特种催化剂，使进入燃烧 室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生 电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃烧室内气体 的酒精浓度成正比 。 与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性 好，精度高，抗干扰性好的优点。但是由于燃料电池酒精传感 器的结构要求非常精密，制造难度相当大，目前（2009年）只 有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产，加上材料成本 高，因此价格相当昂贵，是半导体酒精传感器的几十倍。酒精 浓度测试仪 - 辅助设备 。
0.2-3eV
6.3.2 半导体分类
Ef 费米能级（最高占有与最低未占轨道中间），电子平均位能 逸出功 =最高未占轨道能量- Ef
6.4 半导体的形成 n type
（1） 含有过量金属原子的非化学计量化合物
ZnO中Zn过量，它 存在于晶体内间隙 处，Zn+束缚一个e ，以保持中性。
Zn+e is called donor
① O2-, O-是强亲电反应物，导致完全氧化。
② O2-（晶格氧）是亲核试剂，没有氧化性 质，用于选择氢化。
6.8酒精测试仪
可以对气体中酒精 含量进行检测的设备有五 种基本类型，即：燃料电 池型（电化学）、半导体 型、红外线型、气体色谱 分析型、比色型。但由于 价格和使用方便的原因， 目前常用的只有燃料电池 型（电化学型）和半导体 型两种。