多相催化反应动力学 概念和定义
多相催化反应动力学基础
多相催化反应动力学基础1. 引言多相催化反应是一种重要的化学反应类型，广泛应用于工业生产和环境保护等领域。
了解多相催化反应的动力学基础对于优化反应条件、提高反应效率具有重要意义。
本文将介绍多相催化反应的基本概念、动力学原理以及常见的动力学模型和实验方法。
2. 多相催化反应的基本概念多相催化反应指的是在固体催化剂表面上进行的气体或液体物质之间的化学转化过程。
在多相催化反应中，固体催化剂作为活性中心，吸附并与参与反应的物质发生作用，从而促进反应进行。
多相催化反应通常包括吸附、扩散、表面反应等步骤。
3. 动力学原理多相催化反应动力学研究主要关注物质在固体表面上的吸附和解离过程以及表面活性中心上的表面反应动力学。
吸附是指气体或液体分子与固体表面发生相互作用并停留在表面的过程。
解离是指吸附分子在固体表面上发生键断裂，形成活性中心和反应物分子的过程。
表面反应是指活性中心与反应物分子之间的化学反应过程。
4. 动力学模型多相催化反应动力学模型可以分为两类：微观动力学模型和宏观动力学模型。
微观动力学模型基于吸附和解离等单个分子层面的过程，通常采用基于统计力学原理的动力学方程进行建模。
宏观动力学模型则通过考虑整个反应体系的质量守恒和能量守恒等原理，建立描述反应速率与浓度之间关系的动力学方程。
5. 实验方法多相催化反应动力学实验通常包括固定床实验、循环流化床实验、扩散实验等。
固定床实验是最常用的多相催化反应实验方法，通过将固体催化剂装填在管状或颗粒状反应器中，控制气体或液体物质在固体表面上的接触时间和温度来研究催化反应的动力学行为。
循环流化床实验则通过气体或液体在固体床上的循环流动来模拟工业生产中的实际情况。
扩散实验则用于研究吸附和扩散等过程对反应速率的影响。
6. 结论多相催化反应动力学是研究多相催化反应基本原理和优化反应条件的重要领域。
了解多相催化反应动力学基础有助于我们深入理解多相催化反应机理，并为工业生产中的催化过程提供指导和优化建议。
催化作用导论第三章多相催化反应动力学
而不能写成：
பைடு நூலகம்
C、反应机理与反应历程： 反应机理：包括吸附、表面反应、脱附等步骤的序 列称反应机理。 如气－固催化反应机理：
（1）反应物分子在催化剂内表面上吸附；
（ 2 ）吸附的反应物分子在催化剂表面上相互作用 或与气相分子作用进行化学反应；
（3）反应产物向催化剂内表面脱附。
所要回答的是，反应机理是吸附控制，表面反应 控制，还是脱附控制？
④ 对含活性组分量不同的催化剂样品进行 TOF值的测量， 可以用来作为判别在速率测量中是否存在如传质和 / 或 传热等影响因素的依据； ⑤ 在相同条件下，对暴露不同晶面或有不同晶粒大小的 催化剂样品的TOF值进行测量，可以用于判别晶体各向 异性的重要性。这一点不论在理论上还是在实际上都是 很重要的信息； ⑥ TOF值对开发潜在的催化剂新材料是非常有用的。
1 dn TOF S dt
n = ξ∙NA＝TON，S — 活性位数。
在实际应用中，常常用单位活性位的时间得率 STY （site time yield）来表示催化反应的速率。该表示法要 求我们除了要测量催化反应速率外，还要求测量催化剂 的分子数或固体催化剂表面上的活性位数目。优势： ① 如果测量催化反应速率的方法和条件以及测量催化剂 活性位的方法有非常充分的描述，那么不同实验室获得 的同一催化剂的TOF值是完全可以重复的； ② 它也能够用来比较在不同催化剂上获得的 TOF值，例 如，同一种金属的不同形式单晶、金属、负载金属，不 同的金属和不同催化材料的催化剂，从理论和反应机理 研究的意义上讲，这样的比较更具有决定性意义； ③ 即便由于活性位数目测量值的较大误差所得到的 TOF 值只是一个近似值，也能马上判断出该催化剂是不是一 个真正的催化剂。如果 TOF值大于 1则是，如果TOF值 等于或小于 1，则仅仅是一个反应试剂，而催化剂能转 化反应物分子的总数目则是对催化剂的潜在寿命的直接 测量；
第六章多相催化动力学-文档资料
5. 温度对吸附的影响 (1) 加速吸附和脱附作用
E a E E RT a d k k e a a,o aa e RT 0 E d RT k k e d d , o
15
(2) 改变吸附平衡的位置
dln a H A 2 dT RT H E E A d a H A ln a ln a 0 RT 即吸附热等于脱附活化能与吸附活化能之差。
5
多位理论的中心思想：一个催化剂的活性，在很大 程度上取决于存在有正确的原子空间群晶格，以便 聚集反应分子和产物分子。 如某些金属催化加氢和脱氢反应。 3. 催化作用的定性描述
催化反应的基元过程包括五个连续的步骤：
①反应物向催化剂表面的扩散； ②反应物在催化剂表面上的吸附； ③被吸附的反应物在表面上相互作用； ④产物由催化剂表面上脱附； ⑤产物离开催化剂表面向周围介质扩散。
13
若以p／[V(ps-p)]对p/ps作图，则应得一直线，直线的斜 率是(C-1)／VmC，截距是1／(VmC)，由此可以得到，Vm=1／ (斜率+截距)，由此可以算出铺满单分子层时所需的分子个数， 若已知每个分子的截面积，就可求出吸附剂的总表面积和比 表面积： p 1 C 1p S=AmLn V ( p p ) V CV C p s m m s S是吸附剂的总表面积； Am是吸附质分子的横截面积； L是阿伏伽德罗常数； n是吸附质的物质的量，若Vm用cm3表示，则n= Vm/22400 BET吸附等温式只适用于多层的物理吸附，常用来测定固体 物质的比表面积、孔结构、孔形状和孔分布。
1 a p
ap 1 ap
A
竞争的兰缪尔吸附等温式
ap A 1 ap A a ' p B
多相催化反应机理与动力学研究
多相催化反应机理与动力学研究多相催化反应是一种重要的化学反应类型，广泛应用于化学工业中的催化过程中。
深入了解多相催化反应的机理和动力学规律对于提高反应效率以及开发新型催化剂具有重要意义。
本文将介绍多相催化反应机理与动力学研究的相关内容。
一、多相催化反应机理研究多相催化反应机理研究的主要目的是揭示催化剂表面与反应物之间的相互作用，以及反应物在表面上的吸附、解离、中间产物生成和生成物脱附等步骤。
研究者通常通过理论计算、实验技术以及表征手段来探索多相催化反应的机理。
1. 理论计算理论计算在多相催化反应机理研究中起着重要的作用。
通过密度泛函理论、分子动力学模拟等方法，可以计算出催化剂表面以及吸附反应物的结构、能量和活性位点等信息。
这些计算结果可以帮助研究者理解反应物在催化剂表面上的吸附和解离过程，并预测反应的活性与选择性。
2. 实验技术实验技术在多相催化反应机理研究中也扮演着重要的角色。
通过吸附实验、原位红外光谱、质谱等技术手段，可以得到催化剂表面和反应物之间的相互作用以及反应物转化的信息。
同时，还可以通过催化剂的制备与调控来研究催化剂表面结构对反应的影响，为催化剂的优化设计提供依据。
3. 表征手段表征手段可以对催化剂的微观结构和催化反应的中间产物进行表征，从而揭示多相催化反应的机理。
例如，通过X射线衍射、透射电子显微镜等技术，可以观察到催化剂的晶体结构、表面形貌和组成等信息。
此外，NMR、IR、MS等方法可以对反应物、中间产物和生成物进行定性和定量分析，以了解反应的路径和动力学过程。
二、多相催化反应动力学研究多相催化反应动力学研究是探究反应速率随时间、温度、压力以及反应物浓度等参数变化的规律。
了解多相催化反应的动力学行为有助于优化反应条件、掌握反应机理、提高反应效率。
1. 反应速率方程多相催化反应的速率方程描述了反应速率与反应物浓度之间的关系。
常见的速率方程包括零级、一级、二级反应速率方程等。
通过实验测定反应速率常数，可以利用不同的动力学模型拟合并确定反应速率方程。
多相催化反应的反应机理与动力学
多相催化反应的反应机理与动力学多相催化反应是一种重要的化学反应方式，广泛应用于工业生产和环境保护等领域。
它利用固体催化剂作为催化剂，将气体或液体底物转化为所需的产物。
在多相催化反应中，反应机理和动力学是理解和优化反应过程的关键。
一、反应机理多相催化反应的反应机理涉及底物与催化剂之间的相互作用和中间体的生成。
催化剂表面上的活性位点能够吸附底物分子，使其发生化学反应。
在吸附过程中，底物分子与催化剂表面发生相互作用，形成中间体。
中间体可能是吸附态的物种，也可能是在催化剂表面上发生了化学反应的中间产物。
多相催化反应的反应机理通常可以分为两类：吸附控制和表面反应控制。
在吸附控制机理中，底物分子在催化剂表面上被吸附，形成吸附态中间体，然后在表面上发生化学反应。
在表面反应控制机理中，底物分子在催化剂表面上直接发生化学反应，形成产物。
这两种机理通常是同时存在的，具体的反应机理取决于底物性质、催化剂性质以及反应条件等因素。
二、动力学多相催化反应的动力学研究是了解反应速率和影响因素的重要手段。
动力学研究可以揭示反应速率与底物浓度、催化剂活性、反应温度等因素之间的关系。
在多相催化反应中，反应速率通常遵循速率方程。
速率方程描述了反应速率与底物浓度之间的关系，可以用来研究反应机理和优化反应条件。
多相催化反应的速率方程通常包含吸附步骤和表面反应步骤。
吸附步骤的速率方程可以由Langmuir-Hinshelwood模型描述，而表面反应步骤的速率方程则取决于具体的反应机理。
除了速率方程，多相催化反应的动力学还可以通过表征催化剂活性和选择性的参数来研究。
活性是指催化剂单位面积上所能产生的反应物的转化率，而选择性是指催化剂在特定条件下所产生的目标产物的比例。
通过研究活性和选择性的变化规律，可以了解催化剂的性能和反应条件对反应结果的影响。
三、催化剂设计与优化催化剂的设计和优化是多相催化反应研究的重要方向。
催化剂的性能取决于其物理化学性质和表面结构。
多相催化
3．影响气—固相催化反应过 ．影响气 固相催化反应过 程速率的因素
由于催化反应是在催化剂表面上进行的， 由于催化反应是在催化剂表面上进行的 ， 所以反应速率应与催化剂表面上反应物 的浓度（ ） 反应温度（ ） 的浓度（C）、反应温度（T）及固体催 化剂的表面结构和性质有关， 化剂的表面结构和性质有关，即 ： r＝ f（C、T、催化剂）
3.2.1 表面质量作用定律
处理表面过程动力学基础是表面质量 作用定律。根据质量作用定律， 作用定律。根据质量作用定律，表面 过程的基元反应， 其反应速率 与反 过程的基元反应 ， 其反应速率r与反 应物的表面浓度（即表面覆盖度） 应物的表面浓度（即表面覆盖度）成 正比， 正比，其覆盖度的指数等于相应的化 学计量系数。 学计量系数。
（2）表面反应为控制步骤时 ）
• 当表面反应为控制步骤时 ， 即第三步骤 当表面反应为控制步骤时， 为速率控制步骤时， 为速率控制步骤时， 它的反应速度为整 个反应的速度。 个反应的速度 。 根据质量作用定律写出 s v 其速度表达式： 其速度表达式：r = k θ θ − k θ θ 向反应速率常数； 向反应速率常数； • θV——未覆盖度，等于1-θA-θB-θR。 未覆盖度， 未覆盖度 等于1
①化学反应为控制步骤； 化学反应为控制步骤； ②吸附或脱附是反应速率的控制步骤； 吸附或脱附是反应速率的控制步骤； 三个步骤的速率相差不大， ③三个步骤的速率相差不大，即不存在速 率控制步骤。 率控制步骤。 • 三种情况表现出不同的动力学规律 ， 下 三种情况表现出不同的动力学规律， 面分别说明三种情况下的速率方程式。 面分别说明三种情况下的速率方程式。
在实际工作中最简单并且广泛应用的 理想表面层吸附模型。 是Langumir理想表面层吸附模型。按 理想表面层吸附模型 此模型，利用Langumir的吸附等温方 此模型，利用 的吸附等温方 程，可以把 值表示为在实验上可直接 可以把θ值表示为在实验上可直接 测定的反应压力的函数， 测定的反应压力的函数 ， 这样就把从 表面质量作用定律获得的动力学方程 与实验数据直接关联起来。 与实验数据直接关联起来。
催化作用导论第三章多相催化反应动力学
有毒有害物质降解
多相催化反应可用于有毒有害物 质的降解，如苯酚、氯代烃等， 降低对环境和生物体的危害。
废气处理
多相催化反应可用于废气处理， 如硫氧化物、氮氧化物等，降低 对大气的污染。
新材料设计与开发
纳米材料
多相催化反应可用于设计和开发新型纳米材料，如金属氧化物、碳 纳米管等，具有优异性能和广泛应用前景。
参数不确定性
动力学模型中的参数可能存在不确定性，如反应速率常数、 活化能等，导致模型预测精度降低。
非线性效应
多相催化反应过程中可能存在非线性效应，如反应级数的 变化、反应路径的改变等，而现有动力学模型难以准确描 述这些效应。
实验与理论研究的挑战
实验技术限制
01
实验测量多相催化反应动力学参数时，受到实验设备、测量精
催化反应的动力学过程和机理。
03 多相催化反应动力学研究 方法
实验研究方法
实验研究是研究多相催化反应动力学的主要手段之一。通过实验，可以测量反应速 率、反应机理、反应路径等重要信息。
实验研究方法包括固定床反应器、流化床反应器、微型反应器等，这些方法可以根 据实验需求选择。
实验研究需要精确控制温度、压力、浓度等实验条件，以确保实验结果的准确性和 可靠性。
分子模拟方法可以模拟分子在 催化剂表面的吸附、扩散、反 应等过程，为实验研究和理论 计算提供支持。
分子模拟方法需要较高的计算 机技术和计算资源，因此需要 不断优化算法和提高计算效率。
04 多相催化反应动力学应用
工业催化过程
1 2 3
石油化工
多相催化反应在石油化工中广泛应用，如烃类裂 解、烷基化、异构化等，提高油品质量和产量。
反应机理
01
02
化学中的多相催化反应动力学分析方法
化学中的多相催化反应动力学分析方法在化学领域中，多相催化反应动力学分析方法是一项非常重要的研究和应用。
在化学反应中，相互作用的物质往往会呈现出不同的物态，这就需要用到多相催化反应动力学分析方法。
一、多相催化反应动力学分析方法的基本原理多相催化反应动力学分析方法主要涉及表面催化剂与反应物之间的相互作用。
在反应前，提示剂将与表面催化剂相互作用，可能会形成中间物种，最终转化为反应产物。
因此，研究多相催化反应动力学分析方法，需要测量表面催化剂与反应物之间的相互作用，以及反应产物的生成速率。
二、表面催化剂和催化剂中心的特点表面催化剂是多相反应的研究重要部分，这些催化剂的稳定性和活性直接影响到反应速率和选择性。
在催化剂中心的表面上，有许多官能化合物，这些官能基团可以吸附反应分子，并控制其吸收和解离。
因此，研究表面催化剂的分子结构和化学性质，对于理解多相催化反应动力学分析方法至关重要。
三、催化反应中间体的理论研究在多相催化反应中，表面催化剂会形成反应中间体。
这些反应中间体是反应速率的重要组成部分，其与反应物和催化剂之间的相互作用，对反应速率和选择性具有重要影响。
因此，研究催化反应中间体的分子结构和化学性质，对于理解表面催化剂和反应物之间的相互作用至关重要。
四、多相催化反应动力学分析方法的应用领域多相催化反应动力学分析方法被广泛应用于化学领域中，可用于研究催化剂和表面催化剂的结构和化学性质，研究反应中间体的特性，探究反应动力学机制以及预测反应产物的生成速率和选择性。
此外，多相催化反应动力学分析方法还可以用于开发新型反应催化剂、提高反应产物的产率和纯度等。
五、总结多相催化反应动力学分析方法在化学领域中具有非常重要的意义。
它可以用于研究催化剂和表面催化剂的结构和化学性质的，研究反应中间体的特性，探究反应动力学机制以及预测反应产物的生成速率和选择性。
这些研究结果对于开发新型反应催化剂、提高反应产物的产率和纯度等具有重要价值。
多相催化反应的动力学研究
多相催化反应的动力学研究多相催化反应是一种重要的化学反应方式，广泛应用于能源转换，环境保护以及有机合成等领域。
催化剂的选择和反应动力学的研究对于理解反应机制和提高反应效率具有关键意义。
本文将对多相催化反应的动力学研究进行探讨。
一、多相催化反应的意义多相催化反应是指反应物和催化剂分属于不同相态的反应。
相比于同相催化反应，多相催化反应在反应速率和选择性上具有独特的优势。
多相催化反应的研究旨在开发高效稳定的催化剂，并揭示催化反应的基础机理，以实现能源转换和有机合成等领域的技术突破。
二、多相催化反应的动力学研究方法多相催化反应的动力学研究主要分为实验方法和理论方法两种。
1. 实验方法实验方法是研究多相催化反应动力学的重要手段。
主要包括：（1）系统动力学测量：通过实时监测反应物浓度的变化，确定反应速率与反应物浓度的关系。
（2）表面技术表征：使用表面技术手段，如扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等，对催化剂的表面形貌和物化特性进行表征。
（3）催化剂失活研究：通过观察催化剂的失活行为，分析反应过程中催化剂的变化以及产物对催化剂的影响。
2. 理论方法理论方法在多相催化反应的动力学研究中发挥重要作用。
主要包括：（1）密度泛函理论(DFT)：通过计算机模拟，研究催化剂的电子结构和表面反应机理，揭示反应过程中的能量变化。
（2）反应动力学模型：基于实验数据拟合建立反应动力学模型，用于预测反应速率以及探究催化剂的活性位点和反应路线。
三、多相催化反应的动力学研究进展多相催化反应的动力学研究已经取得了重要的进展。
以催化剂的设计和合成为基础，研究者们不断深化对多相催化反应的认识，并提出了一系列可行的研究方法。
例如，通过合理设计催化剂的晶体结构和活性位点，实现更高的催化活性和选择性。
同时，理论方法的发展也为理解和解释实验现象提供了重要的支持。
四、多相催化反应的挑战和前景多相催化反应的研究面临一些挑战。
首先，多相催化反应的复杂性导致反应机理难以揭示。
多相催化的界面反应动力学研究
多相催化的界面反应动力学研究多相催化反应是一种重要的化学反应，常见于化工和环保领域。
该类反应通常涉及到两个或更多不同相的物质，其中至少一个相是固体催化剂。
相比于单相反应，多相催化反应的反应动力学更为复杂，因为反应物和催化剂需要在界面处发生反应，而界面的形态和性质对反应过程有很大影响。
因此，多相催化反应的研究成为了近些年来化学领域的热点之一。
界面反应动力学研究是多相催化反应研究的核心内容之一。
背景相异反应模型（BAM）是目前应用最广泛的一种两相反应动力学模型。
根据BAM模型，反应物可以进入催化剂颗粒，与催化剂表面上的活性位点发生反应，随后生成产物并从表面脱离。
BAM模型包含多个动力学参数，如折射率、扩散系数、吸附常数等，这些参数需要通过实验方法或理论模拟来确定。
根据BAM模型，多相催化反应动力学可以分为两个阶段。
第一阶段是反应物的传递和吸附，这个过程涉及到物质的扩散和吸附，以及表面位点上反应物的化学吸附情况。
第二个阶段是反应物的反应和产物的解离，这个过程包括表面上反应物的活化和解离，以及产物从表面脱离和扩散至外部介质的过程。
在这两个阶段中，反应物和产物都需要在表面上吸附和解离，而表面化学吸附对反应速率和选择性有着至关重要的影响。
除了BAM模型外，基于分子动力学（MD）方法的相关模拟也可以提供有关多相催化界面反应动力学的详细信息。
MD方法可以模拟催化剂表面上的化学反应，通过计算势能差和微观反应率等参数，可以预测催化反应的速率、选择性和产物分布。
MD方法的优点在于可以预测表面吸附和反应的微观机理，并提供界面反应所需的定量数据。
随着计算机技术和实验技术的不断进步，多相催化界面反应动力学研究已经越来越深入和广泛。
未来，我们可以预期多相催化反应的反应动力学将更为细致地考虑不同界面条件下的反应过程，并更好地预测反应速率和选择性。
在化工和环保领域，多相催化反应将在设计高效低成本的催化剂、生产低污染的化学品、开发清洁能源等方面发挥更为重要的作用。
3章 多相催化反应动力学
*
)
a N2
g
g
h
ln(
kN
2
PN
2
*
)
d
式中：
g , h ,
gh gh
测得＝＝0.5
故：
k1' PN2 ( PN2 * ) k2 ' ( PN2 * )
k1 PN 2
(
P3 N2
P2 NH3
)
k
2
(
P2 NH3
P3 H2
)
(rA ) k1PN2
P 1.5 N2
PN H 3
k2PN H 3 PFra bibliotek1.5i
( rA )
Kr
A
B
Kr KA (1
KB PA PB Ki Pi )2
i
V
1
1 Ki Pi
i
r2=r1 – r-1 =r3 –r-3
(V A B R S ) 1
V
1
1 Ki Pi
i
dӨ i /dt = 0
KA
ka kd
A PA v
二级不可逆反应，四项吸附
平衡时 ra
rd 才有
H2
inhibition
耦合
k1 < k2
5 催化剂失活(p 170 )
失活原因: 1 化学中毒 Poisoning x
2 结炭或污秽 coking or Fouling
失活动力学 = r /r0
t
n -dCA/dt=kCA
-d
/dt
=
kd
m Ci
d
3 烧结或老化 Sintering or Agging
K
PR PS PA*PB
第五讲多相催化反应动力学-概念和定义2
速率测量设备和方法
用于测量催化反应速率的设备一般是实验室催化反 应器。
实验室催化反应器有多种类型和不同的结构，它的 选用要根据催化反应的特点以及所需要获得的数据 和信息而定。
选择反应器类型及其大小的准则
反应器的选择一般应该考虑如下几个因素： 所需要的信息的类型
依赖于进行选择的性能因素（一般指催化剂的活性选择性 和稳定性）
转换速率
要获得可靠的转换速率有两个必要条件：能获得催化反应的 速率数据和固体催化剂表面含有的活性位的数目。
Boudart教授在1995年的一篇有关转换速率的专门评论文章中 指出，使用转换速率至少有如下的好处：
使不同实验室的同一种包括不同形式（负载或单晶）的催 化剂的速率数据可以进行比较； 可以用于判别催化剂是否中毒； 利用TOF数据可以指出催化新材料的发展方向和作为反应 是否为催化反应的判据； 可以用于判别催化剂中促进剂所起的作用。
基元步骤（element step）、反应路径（reaction path）和总包 反应（overall reaction）
一般来说化学反应方程式并不能告诉我们该化学反应在分子水平上是 如何发生的，除非是指基元步骤（基元反应）的方程式。 基元步骤必须写成是在分子水平上发生的真正的反应方程。 对于基元步骤的化学反应方程式，其化学计量系数是不允许任意选择 的。举例：作为基元反应的氢的解离吸附，其化学计量方程式应该写 成：H2+2*↔2H*；而不能写成½H2+*↔H*；
单一路径反应（single path reaction）：催化循环仅包 含有一个基元步骤反应序列的称单一路径反应。对 单一路径反应，其反应物和产物前面的化学计量系 数，虽然可以写成不同的组合，但是它们是完全等 同的。 多路径反应（multiple path reaction）：如果催化循环 中包含有一个以上的基元步骤反应序列，则称该反 应为多路径放反应。对多路径反应，不同路径反应 的转换频率应该用不同的表达式表示，如N(1)、N(2) 等。
多相催化与催化动力学课件
产物脱附
反应产物从催化剂表面脱附， 完成一个催化循环。
催化剂失活
在多相催化过程中，催化剂表 面会逐渐被堵塞或中毒，导致 催化剂失活。需要定期再生或
更换催化剂。
02
催化动力学基础
动力学方程与速率
动力学方程
描述反应速率与反应物浓度的 关系，通常采用速率方程的形 式，如速率 = k[C]^m[D]^n
01
纳米科技在多相催化中的应用
随着纳米科技的发展，多相催化材料的研究和应用将更加深入和广泛，
包括新型催化剂的设计、制备和应用等。
02 03
计算机模拟和理论计算的应用
随着计算机技术和计算化学的进步，计算机模拟和理论计算在多相催化 中的应用将更加广泛和深入，有助于揭示催化反应的机制和优化催化剂 的性能。
径和反应机理有关。
活化熵
反应发生所需的熵变，通常 由实验测定，与反应途径和 反应机理有关。
活化焓
反应发生所需的焓变，通常 由实验测定，与反应途径和 反应机理有关。
催化剂活性与选择性
选择性
催化剂对特定反应的催化能力 ，通常用目标产物的收率来表 示。
催化剂寿命
催化剂在使用过程中保持其活 性和选择性的时间。
未来发展方向与展望
基础研究和应用研究的深度融合
未来，多相催化和催化动力学的研究将更加注重基础研究和应用研究的深度融合，以推动科学技术的发展和应用。
新材料和新技术的开发和应用
未来，新材料和新技术的开发和应用将成为多相催化和催化动力学研究的重要方向，包括新型纳米材料、复合材料、 生物材料等。
绿色化学和可持续发展的推进
反应条件优化
通过模拟计算，可以研究反应温度 、压力、浓度等因素对反应过程的 影响规律，为优化反应条件提供依 据。
催化动力学
(2) 弗伦德利希(Freundlich)吸附等温式
q是固体吸附气体的量(cm3·-1)； g q kp1/ n p是流体相中气体的平衡压力； k及n在一定温度下对一定体系而言都是一些常数。
固—液吸附:
a kw
1/ n
a为每克固体所吸附的溶质的数量(g／g)； w为吸附平衡时溶质的质量分数。 它所适用的范围，一般来说比兰缪尔等温式要大一些。与 兰缪尔公式一样，既适用于物理吸附又适用于化学吸附。
化学吸附对催化作用的影响： 吸附速率 吸附强度 2. 活性中心理论和多位理论
活性中心理论，由泰勒提出； 多位理论，由巴兰金提出。
活性中心理论认为，固体催化剂表面是不均匀 的，在表面上有活性的地方只占催化剂表面的一小 部分。只有这部分叫做表面活性中心的地方吸附反 应物后，才能产生催化作用，这一观点已为大量的 实验所证实。
式中，A和B分别为A和B的表面覆盖率。假定产物吸附很弱，根 据Langmuir方程：
r
1 a A p A aB pB 2
k 2 a A p A aB pB
从上式可知，如果pB保持恒定而改变pA，则速率有一极大值 出现。反之若pA保持恒定而改变pB，也会出现同样的情况。 (2) Ridel历程
(2) 反应物的吸附
反应物到达催化剂的表面附近就被吸附。吸附是一个复杂 的过程。它在形式上是按两步进行的。反应物首先经过物理吸 附，吸引反应物分子到催化剂表面上，然后转变为化学吸附。
(3) 表面反应
化学吸附的表面化学物种，在二维的吸附层中并非静止不 动，只要温度足够高，它们就成为化学活性物种，在固体表面 迁移，随之进行化学反应，转化为产物。 (4) 产物的脱附
1 .0
p / ps
多相催化反应的动力学分析
多相催化反应的动力学分析随着化学工业的快速发展，科学家们不断尝试利用催化剂来提高化学反应的速度和选择性。
多相催化反应作为其中一种最常见的催化技术，已经成功地应用于各种工业领域，如石化、化学、医药等。
多相催化反应的动力学分析是了解反应过程中催化剂及反应物之间相互作用的一种方法。
通过研究催化反应的动力学行为，可以深入了解反应机理和催化剂的性质，从而为新型催化剂的设计和合成提供指导。
多相催化反应的特殊性质多相催化反应与单相催化反应在反应速率、选择性和反应机理等方面存在明显的区别。
其主要原因是多相催化反应通常涉及至少两个不同相之间的反应，所以多相催化反应具有很多独特的性质。
其中最重要的是催化剂的可重复使用性。
通过设计合成高效的催化剂和氧化剂，并将其制成固定床或流动床反应器，可用于大规模生产和循环使用。
这种方法不仅可以提高反应的经济性和效率，还可以降低废水和废气的排放量。
另一个重要的特殊性质是催化剂的表面活性。
多相催化反应通常发生在催化剂的表面处，因此催化剂表面的化学和物理性质对反应的速率和选择性至关重要。
通过表面修饰和调控催化剂的孔径、形貌和结构等特征，可以提高催化剂表面的反应率和选择性。
多相催化反应的动力学分析方法多相催化反应的动力学分析通常是通过实验研究催化反应的速率、选择性和反应途径来实现的。
其中最常见的方法是催化反应动力学研究。
这种方法可以通过在线监测反应物和产物的浓度变化，得到反应速率常数和动力学方程，从而深入了解反应过程的基本特征。
此外，表征催化剂的表面化学和物理性质也是多相催化反应动力学分析的重要方法之一。
通过吸附、红外光谱、X射线衍射等方法可对催化剂表面的结构、形貌、化学键合等特性进行表征。
多相催化反应的动力学实例苯环加成反应是多相催化反应的一个实例。
在此反应中，苯和丙烯醛发生反应，生成了苯甲醛。
实验结果表明，在反应过程中添加一种具有弱酸性质的氧化铝催化剂，可显著提高反应速率和选择性。
通过归纳整理实验数据，可以得到反应动力学方程，并确定催化剂对反应过程的影响。
多相催化反应动力学基础
多相催化反应动力学基础
多相催化反应是指反应物和催化剂处于不同的相（如气-气、气-液、液-液、固-液等），催化剂在反应中起到催化作用。
多相催化反应的动力学研究包括反应速率、反应速率方程和反应机理等方面。
1. 反应速率：反应速率是指单位时间内反应物消失或生成的物质量。
对于多相催化反应，其速率可以通过测定反应物浓度或催化剂表面物质的变化来确定。
多相催化反应速率受到很多因素的影响，包括反应物浓度、催化剂表面积、温度、压力和物质传递等。
2. 反应速率方程：多相催化反应的速率可以通过与反应物浓度和催化剂活性表面积的关系来描述。
通常，多相催化反应速率方程可以用Langmuir-Hinshelwood模型来表示，该模型考虑了反应物在催化剂表面上吸附和反应的过程，一般形式为： - r = k * θA * θB
其中，r是反应速率，k是反应速率常数，θA和θB分别是反应物A和B在催化剂表面的覆盖度。
3. 反应机理：多相催化反应的机理包括吸附、表面反应和解吸等一系列步骤。
在多相催化反应中，反应物要先吸附到催化剂表面，然后在催化剂表面上发生反应，并最终从表面解吸释放出产物。
通过研究这些步骤的细节，可以揭示多相催化反应的机制和催化剂的性能。
总之，多相催化反应的动力学研究涉及反应速率、速率方程和
反应机理等基本概念。
这些研究对于优化催化反应条件、设计高效催化剂以及理解催化过程中的反应机理都具有重要意义。
多相催化与催化动力学PPT学习课件
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实验证据： 1）以金属钾作为助剂的Fe催化剂催化活性比K2O作为助剂的高10倍； 2）Fe、Ru对合成氨有催化活性的金属负载在活性碳上却失去了活 性；如果加入金属钾，又产生了活性； 3）调变性助剂给电子能力与催化剂活性之间有规律性联系。
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还有可能低温下进行烷基加成反应： 在H2O存在下还有可能反应生成醇：
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金属催化剂活化主要起催化加氢反应。 碱性催化剂活化主要是使烷基芳烃进行侧链烷基化： 非典型酸碱性的金属氧化物催化剂对不饱和烃的活化可能是-键合型的络合活化。
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2、助催化剂
（1）结构性助催化剂 主要用来增加主催化剂的结构稳定性，以此来提高催化剂的寿命和稳定性，所以又称稳定剂（例如有 些催化剂的活性组分是低熔点金属）。
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1) 根据有关催化理论（金属能带理论）归纳的参数 金属能带理论
A） d特性百分数：在成键轨道中d轨道占的百分率 称为d特性百分数。 金属的d特性百分数越大，表明电子留在d带中的百分数越多，也就表明d带中空穴 越少。
过渡金属的d带空穴值
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金属的d特性百分数与其催化活性有一定关系。在金属加氢催化剂中，d特性百分数在40%50%之间为佳。如乙烯在各种金属薄膜上的催化加氢，随d特性百分数增加，加氢活性也增加， Rh > Pd > Pt > Ni > Fe > Ta。
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判断调变性助剂的常用方法： * 化学吸附强度和反应活化能。
结构件助催化剂并末改变催化剂的表面性质，因而不会改变 反应的总活化能，而调变性助剂使两者都会发生改变。 * 化学吸附强度的变化表现为吸附等温线的不同。
第四章 气固多相催化反应动力学基础
程的计量系数。
如对反应：
k Aa Ba
其速率
r kC C Aa Ba
吸附物种表面经常用覆盖度来代替，所以
r k A B
二、机理模型法建立速率方程 获取速率方程的方法：机理模型法和经验模型法。 机理速率方程：假定一个机理，借助于吸附、脱附、以及表面
第四章 气固多相催化反应动力学基础
反应动力学的重要参量： 速率常数：可用来比较催化剂的活性； 活化能：判断活性中心的异同； 指前因子：用于求取活性中心的数目。
气固多相催化反应步骤： 反应物从气流扩散到催化剂表面（外扩散-内扩散）； 反应物在催化剂表面上吸附形成表面物种（吸附）； 表面物种反应形成吸附态产物（表面反应）； 吸附态产物从催化剂表面脱附形成气相产物（脱附）； 气相产物从催化剂表面扩散到气流（内扩散-外扩散）。 气固多相催化反应动力学特点： 反应速率与反应物的表面浓度/覆盖度有关； 总包反应动力学带有吸附和脱附动力学的特征，甚至内扩散 的影响。
例2、设反应A2 C按以下机理进行
A2 2 * 2A *
k 2A * C 2*
总反应速率
r k A
2
k A PA (1 A PA ) 2
1 2 1 2
Rideal机理：吸附物种和气相分子间的反应为速控步骤。 例1、设反应A + B C按以下机理进行
实验结果表明PH3在钨表面的分解可能按以上机理进行：
例2、设一反应机理模型为
A * A *
k A** B * C *
B* B * C* C *
总反应速率
kA PA r k A* 2 (1 A PA B PB C PC )
多相催化宏观反应动力学和微观反应动力学基本过程解析
多相催化宏观反应动力学和微观反应动力学基本过程解析
多相催化宏观反应动力学研究的是催化剂对反应速率的整体影响，主要关注反应速率与催化剂质量的关系。
而微观反应动力学研究的是催化剂表面上的反应机理和键的形成和断裂过程。
在多相催化宏观反应动力学中，催化剂通常以固体形式存在，通过对反应物分子的吸附和扩散来影响反应速率。
具体来说，反应分子首先要被吸附到催化剂表面上形成吸附物种，然后在催化剂表面上发生反应，最后生成产物并解离出去。
催化剂表面上的反应物种和产物浓度的变化可以用一些动力学模型来描述，例如速率方程、反应动力学方程等。
在宏观尺度上，这些模型可以用来描述整个反应体系的动力学行为。
而微观反应动力学则更注重反应机理的研究。
它研究的是催化剂表面上的反应中发生的各种基本过程，如吸附、扩散、中间体的形成和解离等。
通过密度泛函理论（DFT）、分子力学模拟等方法，可以得到反应物分子在催化剂表面上的吸附位置和吸附能，以及反应物分子之间的相互作用。
这些信息可以用来解释催化剂的选择性、反应机理和反应途径以及活性位点等重要特性。
综上所述，在多相催化中，宏观反应动力学研究催化剂对整体反应速率的影响；而微观反应动力学研究催化剂表面上的吸附、扩散和中间体形成等微观过程，以揭示催化反应的基本机理。
两者相互关联，共同帮助我们更好地理解和设计高效的催化反应系统。
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补偿效应（Compensation effect）
所谓补偿效应是指催化反应速率常数中的活化能的降低或增 加能够被减小或增加的指前因子所补偿的现象。
催化反应速率的测量
利用TOF数据可以指出催化新材料的发展方向和作为反应 是否为催化反应的判据；
可以用于判别催化剂中促进剂所起的作用。
非均相催化反应动力学与其 他学科间的关系
非均相催化反应动力学的发展
始于1918年导出的Langmuir吸附等温线。
20世纪20年代Hinshelwood系统应用Langmuir吸附等温线说明 催化反应动力学数据，形成了经典的“Langmuir – Hinshelewood”催化反应动力学。
化学计量数目（stoichiometric number）：每个基元 反应步骤形成总包反应是所需乘以的数值，也就是 该基元反应步骤在完成总包反应时所需要进行的反 应次数，通常用来表示。
单一路径反应（single path reaction）：催化循环仅包 含有一个基元步骤反应序列的称单一路径反应。对 单一路径反应，其反应物和产物前面的化学计量系 数，虽然可以写成不同的组合，但是它们是完全等 同的。
新概念和单位
转换数TON（turnover number）： TON=NA，式中是被催 化剂转化的反应物的物质的量，mol；NA是阿伏伽德罗常数。
反应速率为d(TON)/dt s-1
转换速率（turnover rate）：单位时间内每个活性位上转化的 反应物分子的数目为：
式中S是催化剂表面上的活性位数目S=LA，L是催化剂表面上 的活性位密度，1/cm2，即单位催化剂表面积上的活性位数目； A是催化剂的总活性表面积，cm2/g。 转换频率TOF（turnover frequency）：每个活性位每秒时间内 完成的催化循环的次数，跟转换速率具有等同的意义。
d=fV/S（对球形或立方体f取6，圆柱体取4，平板形取2）， 这里说的粒子大小只是一个平均值。
负载金属催化剂表面上活性位数目的测量
测量粒子大小最常用的测量方法为选择性化学吸附、电子显 微镜、X光衍射（XRD）和X光电子能谱（XPS）。
电子显微镜测量的是单个粒子的大小，为使测量数据可靠， 需要测量多至上千个粒子的大小，然后取其平均值；
催化剂和催化反应研究的目的是要收集各种不同类型的信息 和数据。催化反应动力学评价是最通常和最重要的目标之一。
为了获得可靠的动力学数据，实验设备的选择是至关重要的， 因为动力学方程中的参数目前还不可能从理论计算中获得， 而必须从实验测量的数据的分析计算中获得。
能够测量的仅仅是流体主体中的反应物和产物的浓度，得到 的是平均值，而且是对整个催化剂的质量而言的。
对Pt催化剂可用H2、O2和CO化学吸附，为了提高测量精度和 减少表面处理不干净的问题，有时使用H2-O2滴定更好。
对双金属催化剂用化学吸附不能获得单一金属的暴露表面积。
用化学吸附法，从测量的吸附体积可按下式计算 金属分散度和暴露的金属表面积。
催化剂表面上活性位数目的测量
对于纯金属催化剂，测量其总表面积就可获得催化剂表面上 的活性位数目；
对于负载型金属催化剂，其表面还有很多载体的部位，它们 并不是活性位，因此总表面积的测量并不能提供催化剂活性 位的数目，此时需要用特定的化学吸附方法来测量出表面的 金属活性位数目；
对于酸-碱催化剂，其表面的活性位也可用特定气体的化学吸 附方法来测量；
多相催化反应的三个基元步骤：反应物的吸附、表面反应和 产物的脱附。
催化反应与一般化学反应的基本区别是，在催化反应中有催 化剂的活性中心参与反应。
化学动力学知识应用于非均相催化时有其局限性。尽管能获 得速率方程，但仅能用于反应器的设计和优化，无法了解反 应机理。
转换数和转换频率
固体催化剂表面上的每一个活性中心能转化的反应物分子并 产生所希望的产品分子的数目，定义为转换数（TON, turnover number）
第四章 多相催化反应动力学
多相催化反应动力学中的概念和定义
多相催化反应是发生于催化剂表面的化学反应，因此也称表 面催化或接触催化。
固体催化剂通常被做成多孔性的固体粒子或固体粉末以增大 表面积。
催化反应七个步骤：反应物分子外扩散、反应物分子内扩散、 反应物分子在催化剂表面吸附并发生化学反应（表面反应）、 产物分子从催化剂表面脱附、产物分子内扩散和外扩散。
同时，Taylor强调了催化剂表面存在活性中心的概念，指出不 是所有的表面中心都具有催化活性，也即表面是不均匀的。
20世纪40年代Hougen和Watson讨论了多孔催化剂中吸附速率 控制、中毒和传质以及表面控制催化反应速率方程的公式化。
20世纪50年代，Yang和Hougen进一步延伸Hougen-Watson的处 理，提出了速率控制步骤的概念以确定催化气相反应的机理。
化学吸附和XPS是面积敏感技术，测得的是面积平均粒子大 小，而XRD是体相敏感技术，测量得到的是体积平均粒子大 小。
化学吸附法测量暴露金属表面积
化学吸附的一个很重要的特点是它吸附的特定性很强，只吸 附于某些物质的表面。负载催化剂上金属分散度的测量利用 的就是这一特点。
在使用选择性化学吸附法时，除了选择合适的吸附气体外， 还需要知道化学计量系数，即一个吸附质分子或原子吸附于 多少个金属原子上。例如，用CO化学吸附测量Fe的分散度， 其化学计量系数为2，是桥式吸附；而CO在Pd和Pt上是线式 吸附，化学计量系数为1；而氢在Pt上的吸附是解离吸附H:Pt 为1:1；
转换速率
要获得可靠的转换速率有两个必要条件：能获得催化反应的 速率数据和固体催化剂表面含有的活性位的数目。
Boudart教授在1995年的一篇有关转换速率的专门评论文章中 指出，使用转换速率至少有如下的好处：
使不同实验室的同一种包括不同形式（负载或单晶）的催 化剂的速率数据可以进行比较；
可以用于判别催化剂是否中毒；
以理想表面模型为基础的非均相催化反应的LangmuirHinshelwood-Hougen-Watson（LHHW）动力学，被一些著名 学者称为“经典催化动力学”，不仅被广泛使用，而且如 Boudart在1986年所说，对于结构非敏感反应它也是正确的 “真实事情”。
LHHW动力学不仅被用于建立速率方程，还被用于讨论和建 立催化反应的机理。
斜率
截距
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根据斜率和截距，可以求得Vm和C值。
相对压力小于0.05时， 不能形成多层物理吸附； 大于0.35时，则又出现 了毛细凝聚现象，破坏 了多层物理吸附。
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根据BET方程的斜率和截距，可 以求得Vm和C值。
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负载金属催化剂表面上活性位数目的测量
评价负载金属催化剂的一个重要指标是金属的分散度；
动力学耦合、协同作用和耦合循环
动力学耦合（kinetic coupling）：能推动一热力学极不利的基 元反应步骤得以顺利进行的基元步骤反应速率常数间的综合 平衡或偶合的一种现象。
协同作用（synergistic interaction）：是指导致一些不利基元反 应步骤得以进行的催化剂表面结构和吸附分子间的相互作用。 这两种因素共同作用的结果是使催化剂表面吸附物种的覆盖 率得以调整，导致基元反应步骤速率常数的改变。
基元步骤（element step）、反应路径（reaction path）和总包 反应（overall reaction）
一般来说化学反应方程式并不能告诉我们该化学反应在分子水平上是 如何发生的，除非是指基元步骤（基元反应）的方程式。
基元步骤必须写成是在分子水平上发生的真正的反应方程。
对于基元步骤的化学反应方程式，其化学计量系数是不允许任意选择 的。举例：作为基元反应的氢的解离吸附，其化学计量方程式应该写 成：H2+2*↔2H*；而不能写成½H2+*↔H*；
如果不同的催化循环序列（即不同反应路径） 导致不同的反应产物，这样的多路径反应通 常被称为反应网络（reaction network）。
水煤气变换反应，有
多相催化反应的能量分布图
催化循环（cycle of catalysis）
催化剂通过一组基元反应使反应物分子转化为产物分子而自 身又回到其原始状态的一系列反应形成一闭合的循环反应， 被称为催化循环，即催化循环定义为催化反应的一系列基元 步骤的一个闭合系列。
为了获得本征催化反应动力学，需要排除传递影响的数据， 这些数据只能通过很好的实验设计和适当的选择实验反应设 备才能获得。
数据的精度和可靠性还必须考虑实验所消耗的时间、财力和 人力所能承受的程度。
速率测量设备和方法
用于测量催化反应速率的设备一般是实验室催化反 应器。
实验室催化反应器有多种类型和不同的结构，它的 选用要根据催化反应的特点以及所需要获得的数据 和信息而定。
选择反应器类型及其大小的准则
反应器的选择一般应该考虑如下几个因素： 所需要的信息的类型 依赖于进行选择的性能因素（一般指催化剂的活性选择性 和稳定性） 要考虑的反应器的类型的每一个性能因素 基于每个反应器的所选择的可利用的性能因素进行分级
就实际问题而言，选择反应器按其重要性划分等级，考虑因 素为：（1）等温性；（2）传质影响的排除；（3）数据分析 和取样；（4）催化剂失活；（5）结构难度和成本；（6）操 作价格
随着计算机技术的快速发展，在20世纪60-70年代达到相当完 善的程度，包括催化动力学实验的设计、模型判别和检验以 及反应机理的确定，模型参数的计算和可信区间的确定，再 到实验的二次设计以及模型和参数进一步优化。
20世纪70-80年代表面科学的设备和技术不断完善，随着表面 科学技术的发展，对催化剂表面的结构以及活性位的微观性 质有了了解，使反应速率不再仅仅以催化剂质量或体积为单 位来计算，而是发展到以单位活性中心为单位来计算，也就 是单位活性中心的速率成为可能。