2、第二节催化剂的组成与功能
催化剂的组成和功能
催化剂的组成和功能催化剂是指在化学反应中，通过提供一个能量势垒更低的反应路径，从而显著加速反应速度，而不发生化学变化或消耗。
催化剂能够在反应的开始和结束时保持不变，因此可以重复使用。
催化剂在各个领域中广泛应用，包括化学工业、石油加工、环境保护等。
以下将对催化剂的组成和功能进行详细介绍。
催化剂通常由活性位点、载体和协助剂组成。
1.活性位点：活性位点是催化剂中负责反应的中心部分。
它是一个具有特殊结构的原子、离子或分子。
在反应中，活性位点与反应物发生相互作用，使得反应能量势垒降低，从而加速反应速度。
2.载体：载体是催化剂的基础结构，负责支撑和保持活性位点的稳定性。
常见的载体材料包括金属氧化物、硅胶、活性炭等。
载体的选择主要取决于反应条件和催化剂的性质要求。
3.协助剂：协助剂是为了提高催化剂的性能而加入的其他物质。
它可以有助于改善催化剂的分散性、增加活性位点的表面积和改变反应物的吸附性能。
常见的协助剂包括金属离子、有机化合物等。
催化剂的功能：催化剂在化学反应中起到以下几个关键的功能：1.降低反应活化能：催化剂通过结构上的独特性质，如提供吸附位点、介导电子转移等，降低了反应物之间的碰撞能量，从而降低了反应的活化能。
这使得反应更容易发生，并显著加快反应速率。
2.提供不同反应路径：催化剂可以通过提供不同的反应路径，降低反应物之间相互碰撞的能量垒。
这些替代的反应路径可以减少副反应或消耗更少的能量，从而提高反应的选择性和能量利用率。
3.增加反应速率：催化剂通过提供更多活性位点和提高反应物在表面上的扩散性，加快了反应物之间的相互作用。
这导致了更高的反应速率和更高的反应物转化率。
4.提高催化剂的寿命：催化剂的活性位点通常会随着时间的推移而失活。
协助剂的加入可以提高催化剂的稳定性，抑制活性位点的失活，并延长催化剂的使用寿命。
此外，催化剂还具有增强化学反应的选择性、减少能源消耗、降低催化剂用量以及实现环境友好化等优点。
总结起来，催化剂的组成由活性位点、载体和协助剂组成。
各类催化剂的组成结构及其催化作用规律与催化机理
各类催化剂的组成结构及其催化作用规律与催化机理催化剂是一种能够加速化学反应速率而不发生化学变化的物质。
不同类型的催化剂在组成、结构和催化作用规律及催化机理上存在差异。
1.金属催化剂：金属催化剂主要由一种或多种金属元素组成。
它们的结构可以是单质金属，合金或金属氧化物。
金属催化剂的催化作用规律是活性中心和反应物之间的相互作用。
催化机理有两种类型：双电子传递和继承。
2.酸碱催化剂：酸碱催化剂是通过提供或接受质子（酸）或氢氧根离子（碱）来促进反应的催化剂。
它们的组成可以是无机酸或碱（如氢氟酸和氢氧化钠），也可以是有机酸或碱（如有机酸和胺）。
酸碱催化剂的催化作用规律是在酸碱性环境中，反应物与催化剂之间的反应活性。
3.酶催化剂：酶是一种生物催化剂，是由蛋白质组成的大分子催化剂。
它们的组成是由酶蛋白质和辅助物质（如金属离子和辅酶）组成。
酶催化剂的催化作用规律是酶与底物形成酶底物复合物，并通过改变底物的反应活性、方向和速率来催化反应。
4.氧化剂：氧化剂是一种能够在反应中接受电子的催化剂。
它们的组成可以是金属氧化物（如铬酸和二氧化锰）或有机化合物（如过氧化物和过氧硫酸氢钠）。
氧化剂的催化作用规律是通过在反应中接受电子，使反应底物发生氧化反应。
5.还原剂：还原剂是一种能够在反应中捐赠电子的催化剂。
它们的组成可以是金属（如钠和锌）或有机化合物（如氢化钠和氢气）。
还原剂的催化作用规律是通过在反应中捐赠电子，使反应底物发生还原反应。
催化剂的催化机理是根据不同的催化剂类型而不同的。
例如，金属催化剂通过吸附反应底物并与其发生反应来催化反应。
酸碱催化剂通过给予或接受质子或氢氧根离子来改变反应底物的反应性质。
酶催化剂通过形成酶底物复合物并在酶的活性位点上发生催化反应。
氧化剂通过向底物接受电子来氧化底物，而还原剂则捐赠电子给底物来还原底物。
总之，不同类型的催化剂在组成、结构、催化作用规律和催化机理上存在差异。
了解和掌握不同催化剂的特点和催化机理对于合理设计和选择催化剂，并优化催化反应至关重要。
第二章催化作用原理
本科课程讲义
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工业催化导论
多位理论对双位催化剂提出了模型，并认为最重要的能量因素是反应热（E ）和
活化能（E） ，两者都可从键能求得
AB CD AD BC
K
K
K
AD
BC K
（ a）
E' A D E' ' A D
BC
K （M）
BC
K （b）
吸附后生成表面活化络合物，放出能量 E（ 放热为正）
|
—M——M———M
|
|
CH3 |
M—M—M || |
—
+H2O
R |
C=O
—M—
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工业催化导论
5 催化循环
催化反应过程中一方面催化剂促使反应物分子活化，另一方面又保证催化剂的再
生，此循环过程称为催化循环，这是催化反应的必要条件。
乙烯在Ni催化剂上加氢：C2H4+H2→C2H6
Rideal-Eley机理(R-E)
Langmuir- Hinshelwood机理(L-H)
C C +2K(催化剂)
C— C ||
+H2（气相）
KK
C— C
||
KK
H
C— CH + |
|
K
K
C— CH + H2 | K
2H—K
C2H6 + HK 2K + H2
C C +2K
H2 + 2K
C— C
||
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工业催化导论
2 催化作用理论的发展
中间化合物理论：反应物与催化剂生成中间化合物，再变为产物 过渡态理论：反应物分子与催化剂表面活性中心吸附形成吸附活化配合物，
《工业催化基础》课件(第2章 催化剂与催化作用的基础知识)2015-2
（1）按反应物相分：
多相催化： 指催化剂与反应物处于不同物相发生的催化反应。由气体反应物与固体催 化剂组成的反应体系称之为气固相催化反应，如乙炔和氢气在负载钯的固 体催化剂上加氢生成乙烯的反应。由气态反应物与液相催化剂组成的反应 体系称为气液相反应，如乙烯与氧气在PdCl2-CuCl2水溶液催化剂作用下氧 化生成乙醛的反应。由液态反应物与固体催化剂组成的反应体系称为液固 相催化反应，如由离子交换树脂等固体酸催化的醇醛缩合反应或醇的脱水 反应。由液态和气态两种反应物与固体催化剂组成的反应体系称为气液固 三相催化反应，如苯在雷尼镍催化剂上加氢生成环已烷的反应。 均相催化： 指催化剂与反应物处于相同物相发生的催化反应。如果催化剂和反应物均 为气相的催化反应称为气相均相催化反应，如SO2与O2在催化剂NO作用下 氧化为SO3的催化反应；如果反应物和催化剂均为液相的催化反应称为液相 均相催化反应，如乙酸和乙醇在硫酸水溶液催化作用下生成乙酸乙酯的反 应。 化工资源有效利用国家重点实验室 7
是催化剂与反应物分子间通过电子转移，形成活性中间物种进行的催化反 应。如在金属镍催化剂上的加氢反应，氢分子均裂与镍原子产生化学吸附， 在化学吸附过程中氢原子从镍原子中得到电子，以负氢金属键键合。负氢 金属键合物即为活性中间物种，它可进一步进行加氢反应，反应式如下：
H H H + M M M H M
这二种分类方法反映了催化剂与反应物分子作用的实质，但由于催化作用的复杂性 ，对有些反应难以将二者绝然分开，有些反应又同时兼备二种机理， 酸碱型及氧化 还原型催化反应比较如下表：
第一节 催化剂的特征
3、催化剂对反应具有选择性
催化剂具有选择性包合两个含义：其一是不同的反应，应该选择不同的催 化剂；其二是同样的反应选择不同的催化剂，可获得不同的产物。例如， 以合成气（CO+H2）为原料在热力学上可以沿着几个途径进行反应，但由 于使用不同催化剂进行反应，就得到下表给出的不同产物。
第2章 催化作用与催化剂
时空产率表示法
-工业上最为常用的活性表示方法
指在一定条件（温度、压力、进料组成、空速） 下，单位时间内，使用单位体积V或单位质量的催 化剂所能得到目的产物的量（摩尔数NB、或质量） 来表示，以Y表示。 时空产率表示方法： 体积比速率：mol/cm3.s 或 kg/cm3.s 质量比速率：mol/g.s 或 kg/g.s 面积比速率：mol/cm2.s 或 kg/cm2.s
不能改变平衡的位置的例子 乙苯脱氢制苯乙烯
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。
化学稳定性：保持稳定的化学组成和化合 状态。 热稳定性：能在反应条件下，不因受热而 破坏其物理化学状态，能在一定温度范围 内保持良好的稳定性。 机械稳定性：固体催化剂颗粒抵抗摩擦、 冲击、重压、温度等引起的种种应力的程 度。
导致催化剂失活的主要因素
催化剂表面析炭； 活性表面因吸附原料中所夹带的有关杂质 ； 活性组分的挥发、流失，负载活性金属烧结 或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 。
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，先与反应物生成某种不稳 定的活性中间络合物，再继续反应生成产物，催化剂 恢复到原来的状态。催化剂象这样不断循环起作用。 一定量的催化剂可以使大量的反应物转化为大量的产 物。 实际反应过程中，催化剂并不能无限期地使用，在长 期的反应条件下和化学作用下，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。
《工业催化》第2章催化剂与催化作用
13
催化剂只能催化热力学上可行的化学反应
化学反应在给定的条件下能否进行的热力学判 据是反应的Gibbs自由焓变数值的正负关系，即仅有 当 r G 0时，反应在该条件下才是热力学上可行的 [例] 石墨和金刚石都是由碳元素组成，但化学结构 不同，是两种性质相差很大的化学物质。一般条件 下石墨很难转化为金刚石 （什么条件下石墨可以转化为 金刚石？），所以不要期望通过寻找高效催化剂在一 般条件下实现石墨向金刚石的转变 更不要指望，通过使用催化剂来实现“水变油” 或“点石成金”等不切实际的想法
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催化剂只能改变化学反应速率，而不能改变
化学平衡的位置
对于可逆反应，
k正 Kf k逆
根据微观可逆原理，假如一个催化反应是可逆 的，一种加速正反应速率的催化剂，则也应以相同 的比例加速逆反应速率，以保持Kf不变
对选择催化剂很有用。例如，由合成气合成甲醇，或 由氢、氮合气合成氨，直接研究正方向反应需要高压设 备，不方便也不经济，故早期研究中利用常压下甲醇分 解反应、氨分解反应，初步筛选相应的合成用催化剂。
常见的助催化剂
作用功能 减缓活性组分结焦，降低酸度 促进活性组分的酸度 间隔活性组分，减少烧结 促进活性组分对CO的氧化 促进载体的酸度和热稳定性 降低氢解和活性组分烧结，减少积炭 促进C-S和C-N氢解 促进MoO3的分散 促进脱焦 阻止Cu的烧结，提高活性
25
助催化剂 K2 O HCl MgO
SiO2、ZrO2、P 促进载体的热稳定性
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催化作用改变反应历程意味着：
I. 催化剂参与反应物之间的化学反应； II.通过反应历程的改变使化学反应所需克服的 能垒(活化能)数值大为降低
催化剂的组成与功能
催化剂的组成取功能之阳早格格创做催化剂的组成：活性组分载体帮催化剂催化剂组分取功能闭系：一、活性组分它是催化剂的主要组分，偶尔由一种物量组成，偶尔由多种物量组成如：乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂；丙烯氨氧化制丙烯腈用的钼战铋催化剂活性组分的分类:二、载体载体是催化剂活性组分的分别剂、粘合剂战收撑物，是背载活性组分的骨架.比圆，乙烯氧化制环氧乙烷催化剂中的Ag便是背载正在“α—Al2O3上的，那里的α—Al2O 3称为载体.载体还常分为惰性载体取活性载体.庄重去道，催化剂中的组分皆没有是惰性的，皆对于主剂取帮剂有所效率，只没有过活性载体的效率更为明隐而已.载体的效率取帮催化剂的效率正在很多圆里有类似之处，分歧的是载体量大，帮催化剂量小；前者效率较慢战，后者较明隐.其余，由于载体量大，可给予催化剂以基础的物理结构取本能，如孔结构、比表面、宏瞅形状、板滞强度等.别的，对于主催化剂战帮催化剂起分别效率，更加对于贵金属既可缩小其用量，又可普及其活性，落矮催化剂成本.动做下效催化剂，活性组分取裁体的采用皆非常要害.底下是载体的分类战部分罕睹载体的种类：催化剂的活性随载体比表面的减少而减少，为赢得较下的活性，往往将活性组分背载于大比表面载体上.载体取催化剂的活性、采用性、热宁静性、板滞强度以及催化历程的传播个性有闭，果此，正在筛选战制制劣良的催化剂时，需要弄浑载体的物理本量战它的功能.催化剂组分取含量的表示要领：比圆：合成氨催化剂Fe—K2O—Al2O3用“—’将催化剂中的各组分开启：加氢脱硫催化剂Co—Mo/α—Al2O3，斜线上为主剂战帮剂，斜线下为载体.各组分的含量可用沉量％、沉量比表示，也可用本子％、本子比表示.载体的功能：提供灵验的表面战相宜的孔结构⏹巩固催化剂的板滞强度⏹革新催化剂的传导性⏹缩小活性组分的含量⏹载体提供附加的活性核心⏹活性组分取载体之间的溢流局里战强相互效率理念的催化剂载体应具备的个性能符合某一特定反应的形状；有脚够的抗破碎强度；有脚够的反应表面战符合的孔结构；有脚够的宁静性，包罗活性宁静性取热宁静性；导热、热容量及堆稀度适中；没有含使催化剂中毒的物量；本料易得，载机制备历程烦琐.三、帮催化剂定义：加进少量的某种物量，不妨隐著革新催化剂效能，包罗活性，采用性取宁静性战寿命等.它是通过改变催化剂的化教组成、化教结构、离子价态、酸碱性、晶格结构、表面结构、孔结构、分别状态、板滞强度等去普及催化剂的本能.帮催化剂的分类：（1）结构型帮催化剂（2）电子型帮催化剂：（3）晶格缺陷型帮催化剂：使活性物量晶里的本子排列无序化，删大晶格缺陷浓度去普及催化剂的催化活性.第（2）、（3）类也合称为调变性帮催化剂结构型帮催化剂：效率：普及活性组分的分别性战热宁静性.本理：能使催化活性物量粒度变小、表面积删大，预防大概延慢果烧结而落矮活性等，工业催化历程常常正在几百度的条件下举止，本本没有宁静的微晶简单烧结，果而引导催化剂的活性下落.而帮催化剂的加进不妨遏止大概减慢微晶的删少速度，进而延少催化剂的使用克日.比圆：合成氨的铁催化剂，加进少量的Al2O3电子型帮催化剂：效率：改变催化剂活性物量的结媾战化教组成，促进催化活性采用性.本理：催化剂活性组分的空d轨讲能交受帮催化剂提供的电子，改变了活性组分的电子结构，普及了催化剂的活性战采用性；大概死成新的晶相，大概者也大概爆收大概删加催化剂中晶相大概微晶间活性界里的数目.进而普及活性大概采用性.比圆：Fe－Al2O3中加进K2O罕睹帮催化剂举例：。
催化剂的组成及功能
催化剂的组成及功能催化剂是一种可以加速化学反应速率的物质，但在反应结束时催化剂本身并不参与反应消耗，因此可被循环使用。
催化剂的组成及功能由其化学性质和结构决定，下面我们将详细讨论催化剂的组成和功能。
一、催化剂的组成：催化剂通常由活性位点、载体和促进剂三部分组成。
1.活性位点：活性位点是催化剂上参与反应的活性中心，其能够接受反应物，并通过中间产物形成最终产物。
活性位点通常是催化剂表面的一些原子、离子或分子团。
2.载体：催化剂的载体是催化剂活性位点的支撑结构，起到固定活性位点和提供特定反应环境的作用。
常用的载体有陶瓷、金属氧化物、活性炭等。
载体要求具有高的表面积、化学稳定性和强的吸附性能，以增加反应物与活性位点接触的机会。
3.促进剂：促进剂作用在催化剂和反应物之间，能够改变催化剂的化学性质，提高催化活性和选择性。
促进剂的添加能够增加催化剂表面的活性位点数量，改变表面酸碱性或电荷分布等，进而更好地促进反应的进行。
二、催化剂的功能：催化剂的功能是通过改变活化能降低反应速率，从而促进反应的进行。
催化剂主要有以下功能：1.提供活性位点：催化剂活性位点能有效吸附反应物，并改变反应活性络合物的能量状态。
活性位点可以通过多种方式提供，例如固体表面孤对电子、溶液中的配体以及金属中心等。
2.改变反应的速率限制步骤：催化剂能够降低反应活化能，从而加快反应速率。
当催化剂参与反应后，速率限制步骤可能发生变化，比如催化剂可以改变反应物之间的相互作用力，使反应物之间的键成为易断的，从而降低反应速率。
3.增加反应物的相互作用：催化剂通常能够尽可能地将反应物引导到活性位点上，提高反应物之间的相互作用几率，从而促进反应进行。
4.改变反应的选择性：催化剂的选择性是指在多种可能反应路径中选择最有利的路径。
通过适当选择催化剂的活性位点和载体材料，可以调节反应的选择性，从而得到更有利的产物。
5.解吸产物：催化剂能够有效解吸产物，以减少反应物与产物之间的竞争吸附，防止产物再次与反应物和催化剂发生反应，从而提高反应的转化率。
催化剂的组成与功能
催化剂的组成与功能催化剂的组成：活性组分载体助催化剂催化剂组分与功能关系：一、 活性组分它是催化剂的主要组分，有时由一种物质组成，有时由多种物质组成如：乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂；丙烯氨氧化制丙烯腈用的钼和铋催化剂2%4%6%8%10%氨含量Mo的混合比Mo-Fe合金组成与活性关系活性组分的分类:二、载体载体是催化剂活性组分的分散剂、粘合剂和支撑物，是负载活性组分的骨架。
例如，乙烯氧化制环氧乙烷催化剂中的Ag就是负载在“α—Al2O3上的，这里的α—Al2O 3称为载体。
载体还常分为惰性载体与活性载体。
严格来说，催化剂中的组分都不是惰性的，都对主剂与助剂有所影响，只不过活性载体的作用更为明显而已。
载体的作用与助催化剂的作用在很多方面有类似之处，不同的是载体量大，助催化剂量小；前者作用较缓和，后者较明显。
另外，由于载体量大，可赋予催化剂以基本的物理结构与性能，如孔结构、比表面、宏观外形、机械强度等。
此外，对主催化剂和助催化剂起分散作用，尤其对贵金属既可减少其用量，又可提高其活性，降低催化剂成本。
作为高效催化剂，活性组分与裁体的选择都非常重要。
下面是载体的分类和部分常见载体的种类：催化剂的活性随载体比表面的增加而增加，为获得较高的活性，往往将活性组分负载于大比表面载体上。
载体与催化剂的活性、选择性、热稳定性、机械强度以及催化过程的传递特性有关，因此，在筛选和制造优良的催化剂时，需要弄清载体的物理性质和它的功能。
催化剂组分与含量的表示方法：例如：合成氨催化剂Fe—K2O—Al2O3用“—’将催化剂中的各组分隔开：加氢脱硫催化剂Co—Mo/α—Al2O3，斜线上为主剂和助剂，斜线下为载体。
各组分的含量可用重量％、重量比表示，也可用原子％、原子比表示。
载体的功能：⏹提供有效的表面和适宜的孔结构⏹增强催化剂的机械强度⏹改善催化剂的传导性⏹减少活性组分的含量⏹载体提供附加的活性中心⏹活性组分与载体之间的溢流现象和强相互作用理想的催化剂载体应具备的特性能适应某一特定反应的外形；有足够的抗破碎强度；有足够的反应表面和合适的孔结构；有足够的稳定性，包括活性稳定性与热稳定性；导热、热容量及堆密度适中；不含使催化剂中毒的物质；原料易得，载体制备过程简便。
第二章 催化剂和催化作用-
（4）催化剂的寿命
� 催化剂在长期受热和化学变化作用下，也会 受一些不可逆的物理的和化学的变化，如晶 相变化、晶粒分散度的变化、易挥发组分的 流失、易熔物的熔融等。
催化剂活性随时间变化曲线
工业催化剂的寿命
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.2 催化剂的组成与载体的功能
1. 催化剂组成
（1）活性组分 （2）助催化剂 （3）载体
2.1.2 催化作用特征 （1）催化剂只能加速热力学上允许的反应，而 不能加速热力学上无法进行的反应；
� 开发一种新的化学反应的催化剂时，要求首先对 反应体系进行热力学分析，看它在该条件下是否属 于热力学上的可行的反应。
（2）催化剂只能加速反应趋于平衡，而不能改变平衡 常数。
关于可逆反应
根据微观可逆原理，假如一个催化反应是可逆的， 则一个加速正反应速率的催化剂也应加速逆反应速率， 以保持K平不变（K平＝K正/K逆）。 也就是说：同样一个能加速正反应速率控制步 骤的催化剂也应该能加速逆反应速率。
反应举例
� 按固体催化剂的导电性及化学形态分类
表3-5 按固体催化剂导电性及化学形态分类 类别 导体 半导 体 绝缘 体 化学形态 催化剂举例 催化反应举例 加氢，脱氢， 氧化，氢解
过渡金属 Fe,Ni,Pd,Pt,Cu
氧化物或 V2O5,Cr2O3,MoS2,NiO,ZnO, 氧化，脱氢， 硫化物 Bi2O3 加氢，氨氧化 氧化物 盐 Al2O3,TiO2,Na2O,MgO,分 子筛，NiSO4, FeCl3 脱水，异构 化，聚合，烷 基化，脂化， 裂解
如氨合成用的Fe催化剂，通过加入少量的Al2O3。 使其活性、和寿命大大延长。原因是Al2O3与活性 Fe形成了固熔体，有效阻止了Fe的烧结。
工业催化_催化剂的组成与功能
工业催化_催化剂的组成与功能工业催化是工业化生产过程中广泛应用的一种技术手段，它通过添加催化剂来加速化学反应的速率和选择性。
催化剂是催化反应中起到催化作用的物质，它能在反应中降低活化能，提高反应速率，并且在反应结束后能够重新生成。
催化剂的组成和功能是工业催化的核心内容，下面将详细介绍。
催化剂的组成主要有两个元素组成：载体和活性物质。
载体是催化剂中的固体物质，通常是一种高表面积的材料，如氧化铝、硅胶等。
载体具有高比表面积，能够提供更多的活性位点，增大反应物分子与催化剂的接触面积，从而提高反应速率。
活性物质是催化反应中发挥催化作用的物质，可以是金属、金属氧化物、金属盐等。
活性物质的选择通常是根据反应性质和催化剂制备条件来确定的。
催化剂的功能主要有两个方面：活化物质和提供反应路径。
活化物质是指催化剂能够降低反应物质的活化能，使反应物质易于发生化学反应。
在催化剂的作用下，反应物质的活化能降低，使得反应能够在较低的温度和压力下进行，从而节省能源、降低生产成本。
提供反应路径是指催化剂能够提供一个新的反应路径，使得反应路径更加有利于生成产物。
通过选择合适的催化剂，可以使得反应选择性增加，产物纯度提高，减少产生副产物的可能性。
催化剂的选择与催化反应有密切关系。
不同的催化反应需要选择不同的催化剂，以满足不同的反应条件和要求。
一般来说，催化剂的选择应考虑以下几个方面：反应活性、选择性、稳定性和成本。
反应活性是催化剂的重要指标，它反映了催化剂对反应物质的活化能降低效果。
选择性是指催化剂在反应中所产生的产物与副产物的选择性，选择性高的催化剂能够提高产品的纯度。
稳定性是指催化剂在反应过程中的稳定性，稳定性好的催化剂能够长时间使用，降低成本。
成本是指催化剂的制备成本和使用成本，成本低的催化剂更具有竞争力。
工业催化在许多领域有广泛的应用，例如石油化工、化学制品生产、气体处理、环境保护等。
在石油化工领域，工业催化用于石油加工、裂化、氢化、脱硫、脱氮等反应，能够提高石油产品的质量和产量。
催化作用与催化剂
• 化学平衡是由热力学决定的 G0＝—RT1nKP ，
其中KP为反应的平衡常数，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。
1901年德国物理化学家W.Ostwald提出催化剂定义:“催化剂是可 以改变化学反应的速度，但最后不出现在生成物中的物质”
1903年法国科学家P.Sabatier提出:“催化剂能引发化学反应或加 速化学反应，但本身不发生变化。
1981年IUPAC提出的定义:“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，涉及催化剂的反应称为催化反应。”
2024/2/16
不能改变平衡的位置的例子 乙苯脱氢制苯乙烯
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 72.3％，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。
2024/2/16
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，而不能加速热力学上无法进行的反 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。
2024/2/16
催化作用的特征（2）
例如反应：
第2章 催化作用与催化剂
低于160℃
熔结
活性迅速下降
（Tm 1083℃）
Fe、Co、Ni
（Tm1527℃） Cu / 氧化铝， ● 铂粒 / 氧化铝 ， 铂黑 （dp 0.5～ 5nm） Pt Tm 1774 ℃
低于330℃
熔结
活性迅速下降
250℃
不发生明显熔结。 数年不见颗粒显著变化 一小时聚集成 50nm 微晶 六个月形成200 nm 微粒
例如： • SO2＋O2 SO3 ( V2O5)， • 无催化剂时，即使加热也几乎不生成 SO3。 • N2＋H2 NH3 (Fe催化剂)， • 若没有铁催化剂，在反应温度为400℃时， 其反应速度极慢，竞不能觉察出来，而当有 铁催化剂的存在时，就实现工业生产合成氨。
二、特征
1、只能加速热力学上可行的反应 H2(g) + ½ O2 (g) = H2O (g) △G 0298 = － 228.6 kJ/mol
甲醛 异构烃 丙烯
非过渡金 属氧化物
A型分子筛
催化反应速度和催化剂表面积成正比，希望催化剂尽 可能高的表面积。
有些催化剂可制成多孔和较高的比表面积
例：Raney Ni — 多孔和高的表面积。 2Ni-Al + 2NaOH + 2H2O 隙率的颗粒表面上。 如：Pt / Al2O3 2NaAlO2 + 3H2 + 2Ni
CO2 + H2O
具有气体分子输送的粗孔道
(2) 分类
常用载体类型
载体 比表面 （㎡/g） 比孔容 （ml/g） 载体 比表面 （㎡/g） 比孔容 （ml/g）
低比表面
刚玉 碳化硅 浮石 硅藻土 0~1 <1 0.04~1 2~30 0.33~0.45 0.4
催化剂的组成及功能
催化剂的组成及功能催化剂是一种能够增加化学反应速率的物质，它在反应中不被消耗或改变，但可以通过提供一个合适的反应表面或改变反应机制来促进反应发生。
催化剂的组成及功能与其所应用的反应类型密切相关。
下面将详细介绍催化剂的组成及功能。
1.组成催化剂的成分催化剂通常由两个主要成分组成：活性物质和载体。
活性物质是催化剂固体表面上的活性位点，负责参与反应并促进反应发生。
载体是活性物质的支撑材料，帮助提供镀金的表面，增加活性位点的数量，并提供催化剂的物理稳定性。
2.催化剂的功能催化剂在化学反应中起到以下几个重要的功能：2.1提供活性位点：催化剂表面的活性位点能够提供反应所需的能量，使反应物分子能够吸附到活性位点上，并进一步发生化学反应。
活性位点可以是原子、分子或离子，它们能够提供不同的吸附性质和反应活性。
2.2降低活化能：催化剂通过吸附参与反应的物质分子，使其分子键变弱，从而降低了反应的活化能。
这样，反应物分子就能更容易地克服反应势垒，从而提高反应速率。
2.3改变反应机制：催化剂可以改变反应的机理，使反应途径变得更加有利于所需产物的生成。
它能提供一个特定的反应表面，调整中间体的稳定性和活性，使反应遵循更有利于产品生成的反应路径。
2.4增加反应物的有效碰撞率：催化剂提供了一个表面，可以吸附反应物分子并使它们接近到足够近的距离，从而增加反应物的有效碰撞率。
活性物质上的活性位点可以提供吸引反应物分子的能力，并调整它们的位置和构象，以便更容易地发生反应。
2.5抑制副反应：催化剂可以选择性地转化反应物，减少或抑制副反应的产生。
它能够选择性地与特定反应物分子发生吸附和反应，并防止不必要的氧化、还原和重排等副反应发生。
2.6可重复使用性：与反应物不同，催化剂在反应中不会消耗或改变其结构，因此可以被多次使用。
当反应完成后，催化剂可以通过简单的分离和再生过程来恢复其活性，以便进行下一次催化反应。
总结起来，催化剂在化学反应中起到提供活性位点、降低活化能、改变反应机制、增加反应物的有效碰撞率、抑制副反应以及具有可重复使用性等功能。
第2章催化剂与催化作用
稳定性、传递过程 二．载体功能
1. 提供有效表面和孔结构（分散活性组分、合理的孔径及 分布
2. 增强机械强度（抗磨损、冲击、重压、相变、温度等）
3.减少活性组分用量
七．
聚应力
八． 寿命：指cat有效使用时间的情况
九． 间
1）能达到生产能力、消耗定额所能够使用的时
一○．ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2）也可表示为再生后累计使用的时间
工业催化剂使用寿命
反应 甲醇空气氧化 乙烯氧化制环氧乙烷 萘空气氧化制萘酐 丙烯氨氧化制丙烯酸 二氧化硫氧化制硫酸
组成 Fe-Mo
Ag V-P-T氧化物 BI-Mo氧化物 V2O5/K2SO4
三、助催化剂的功能 1.可以改变催化剂的化学组成、化学结构、电子结构、晶 格结构、酸碱性、离子价态等 2.可以改变载体的性能。如：改变表面构造、孔结构、孔 分布、机械强度等。 一般助催化剂的含量效应比载体含量的效应要敏感的多
第三节 对工业催化剂的要求
三方面要求：1）活性 2）选择性 3）稳定性（或寿命） 一．活性及选择性指标 二． 活性定义：cat影响反应进程变化的程度 三． 通常表示法：1）给定温度下转化率x的大小来表示
YT.S.
SVcVxs4k 4环 g 氧 /m （ 乙 3 催 烷•化 h 剂） 2.4 2
二．稳定性和寿命指标
三． 稳定性：活性、选择性随时间变化的情况
四． 包括：1）热稳定性：0.3Tm、0.5Tm、烧结（Tm熔 点）
五．
2）化学稳定性：杂质、结焦、污染
六． 抗内
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3、载体： 它可以起增大表面积，提高耐热性和机 械强度的作用。 将活性组分、助催化剂组分负载与载体 上所制得的催化剂，称为负载型催化剂。
载体可分为低比表面、高比表面和中比表面三 类。 比表面：物体的表面积与体积之比称为比表面 积。
催化剂的孔径分布及内部结构
4、其他 ①稳定剂 氧化铝、氧化镁、氧化锆等难还原的耐 火氧化物，通常作为一些易烧结催化组分 的细分散态的稳定剂。 ②抑制剂 如果在主催化剂中添加少量的物质，便 能使前者的催化性能适当降低，甚至在必 要时大幅度下降，则后者这种少量的物质 即称为抑制剂。
第二节 催化剂的组成与功能
一、催化剂的组成
活性组分： 化学活性
催化剂
助催化剂：对 活性组分/载 体改性
载体：高表面 积，孔结构， 机械强度等
1、活性组分： 它是催化剂的主要组成部分，催化剂的催化 活性由其体现。 组成可以使一种元素也可以是多种物质 主催化剂：起催化作用的根本性物质 共催化剂：和主催化剂同时起作用的组 分
非负载型金属催化剂 指不含载体的金 属催化剂，通常以骨架金属、金属丝网、 金属粉末、金属颗粒、金属屑片和金属蒸 发膜等形式应用。将具有催化活性的金属 和铝或硅制成合金，再用氢氧化钠溶液将 铝或硅溶解掉，形成金属骨架。典型的金 属面和适宜的孔结构。 维持组分高度分散是载体最重要的功 能之一。 2、增强催化剂的机械强度，使催化剂具有一 定的形状。 3、改善催化剂的传导性。 4、减少活性组分的分量。 5、载体提供附加的活性中心。
2、助催化剂： 是催化剂中具有提高主催化剂活性、选择性， 改善催化剂的耐热性、抗毒性、机械强度和寿命 等性能的组分。 按作用机理的不同一般区分为结构助催化剂， 电子助催化剂和晶格缺陷助催化剂。 ①结构助催化剂作用：提高活性组分的分散 性和热稳定性。 ②电子助催化剂作用：改变主催化剂的电子 结构，促进催化剂选择性。 ③晶格缺陷助催化剂作用：使活性物质晶面 的原子排列无序化，通过增大晶格缺陷浓度提高 活性。