催化导论讲义
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------Professor Michel Boudart Department of Chemical Engineering Stanford University 2001 CATTECH 5 (2001) 2
一、什么是催化剂和催化作用
催化作用概念的产生 天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
工业上采用催化剂的开始
阐明了二氧化硫氧化成三氧化硫的机理 乙酸和乙醇酯化反应成乙酸乙酯 甲烷和醇蒸汽在空气中的氧化 氢和氧的化合 识别了氢饱和的铂绵的催化作用――吸 附 二氧化硫空气中的氧化 乙醇和稀硫酸混合物蒸得醚和水――提
出接触反应 首次提出“催化作用”
艺发展史上的重要里程碑
三、催化领域相关诺贝尔奖
欣歇尔伍德等
泰勒
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
1930 1932
1939
20世纪50年代 20世纪50年代末 50—60年代初 1962
70年代
布达 对催化剂结构敏感和不敏感的催化反应的划分 等待突破的重大科学技术 陶斯特 水的光催化分解 金属载体强相互作用以及金属—金属、金属— 煤液化技术 氧化物、氧化物—氧化物等在某些类型的反应 天然气利用技术 中的协同催化作用等催化理论和概念 纳塔 高效环境净化技术 配位催化 1975 高效、绿色的催化技术 70—80年代 缪特蒂和乌戈等 均相多相催化相互关联的理论
四、催化剂作用的基本原理
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
非催化反应与催化反应的活化能（KJ/mol）
反应 E非 E催 催化剂
2HI H2 + I2
184
105
59
Au
Pt Au
2N2O 2N2 + O2
245
121
134
2H2O 2H2 + O2 正己烷裂化 降低幅度> 100 KJ/mol 244 230 126 75
Pt
Pt SiO2/Al2O3
H2 2Ha 四、催化剂作用的基本原理 反应物表面吸附
N2 2Na
尔特著 陈诵英译
• 工业催化原理 －－李玉敏编著 • 绿色催化过程与工艺－－王延吉, 赵新强编著
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
催化导论
第一章、催化作用基本原理
催化科学与工程系
一、催化现象与利用
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
1814 戴维（ Davy）
发现了煤气在铂上进行氧 化反应，详细描述反应过 程
1834
1836
1900
贝采里乌斯（Berzelius）
• 最先用催化作用一词来描述有关痕量物质，本身并不消 耗而能够影响反应速率的各种各样的观察结果 • 催化（catalysis）= cata(下降)+lysein(分裂或破碎)
三、催化剂定义的三层含义
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
作为一种化学物质参与反应 它是一种物质 必须参与反应---不能远程作用
遵守所有化学作用原理 提高反应达到平衡的速率
不能改变化学平衡和体系热力学状态
三、催化剂定义的三层含义
本身不永久与反应物结合
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
一、什么是催化剂和催化作用
催化作用概念的产生 天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论 R P
R
P
I
R *
P
1900 W. Ostwald
Intermé diaire instable 1900 P. Sabatier
Site actif 1925 H.S. Taylor
年代 获奖者
1909 范托霍夫 格利雅 1912
国家
荷兰 德国
贡献
研究催化、化学平衡和反应速率 发现有机氢化物的格利雅试剂法
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
萨巴蒂埃
1918 1932 1956 1989 2001 哈伯 朗缪尔 欣谢尔伍德 、 谢苗诺夫 切赫、 奥尔特曼 威廉· 诺尔斯； 野依良治； 巴里· 夏普莱斯 伊夫· 肖万、 罗伯特· 格拉布、 理查德· 施罗克 格哈德· 埃特尔
法拉第( Faraday） 基尔霍夫（Kirchoff）
研究了酸催化淀粉水解为 葡萄糖的反应 发表了一篇关于氢气和氧气在铂箔上反应的著名 文章 表征并评价了催化剂的活性、失活、中毒和活化 反应动力学研究
奥斯特瓦尔德（Ostwald）
提出了具有现代观点的催化剂和催化作用 的定义：“凡能改变化学反应的速度而本 身不形成化学反应的最终产物，就叫做催 化剂。”
四、催化剂－化学工业的基石
大气污染
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
厄 尔 尼 诺 世界催化剂市场用途分布
臭氧层破坏
酸 雨 水 污 染
固体废物
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
催化导论
Βιβλιοθήκη Baidu
§1.1 催化作用的定义与特征
催化科学与工程系
Second Edition, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, KGaA, 2006
• 催化过程的化学 －－(美)盖茨(Gates,B.C.)等著 徐晓等译 • 催化作用原理导论 －－邓景发编著 • 多相催化中的传质－－ (美) 萨特菲尔德 (Satterfield, C.N.)塞脱菲
法国
德国 美国 英国 德国 美国 加拿大 美国 日本 美国 法国 美国 美国 德国
研究金属催化加氢在有机化合成中的应用
发明工业合成氨催化剂和方法 提出并研究表面化学和吸附理论 研究化学反应动力学和链式反应 发现核糖核酸催化作用 发现和制造手性催化剂 手性催化氢化反应 手性催化氧化反应 烯烃复分解反应——是研究碳原子之间的化学联系是如何建立和分解的， 是一种产生化学反应的关键方法 固体表面化学——建立了研究固体表面化学过程的方法学； 在原子分子 层次提供了一个表面化学反应的完整图像。重要贡献在于对合成氨反应 过程的催化机理的认识和表面非线性反应动力学理论的建立
第二章、固体催化剂材料
§2.1 金属催化剂 §2.2 氧（硫）化物催化剂 §2.3 固体酸碱催化剂
第三章、工业催化剂研究内容
§3.1 工业催化剂设计原则 §3.2 工业催化剂制备方法 §3.3 工业催化剂的表征与评价
第四章、工业催化剂实例介绍
二、课程的主要参考书
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
2005
2007
三、催化理论及催化工程科学对社会的贡献
20世纪催化理论工作方面的贡献 年代 创始者
1925
1929
理论、模型
表面固有不均一性和活性中心概念 巴兰金 20世纪决定世界文明历史进程的重大技术 多位催化理论
提出和完善的中间化合物理论 合成氨技术 催化活化过渡态理论 维格纳等 石油加工技术 科巴捷夫 高聚物合成技术 活性集团催化理论 塑料、橡胶、化纤 沃尔肯斯坦，罗金斯基 半导体催化电子理论 基础化学品 道登 化学吸附的晶体场效应理论概念 硫酸、硝酸 魏茨等 环境净化技术 分子筛晶内催化和择形催化作用 柯西 废水、废气 齐格勒（Ziegler）—纳塔α—烯烃配位聚合催化 特别是汽车尾气净化 剂活性中心模型
dé localisé e physique
localisé e chimique
localisé e chimique
Michel Che
Presented on the “Workshop for Building up the Core Courses in Industrial Catalysis”, Tianjin, August, 2005
一定量催化剂能够参与大量分子的反应
反应物
催化剂
产物
三、催化剂定义的三层含义
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
判断题：
（1）光照、加热、通电可以加速化学反应，那么光、热、电是催化 剂吗？ （2）引发剂是催化剂吗？ （3）离子之间的反应常因加入盐而加速，那么此反应中的盐是不是 一种催化剂？
（4）硝酸镁和碳酸钠在水溶液中的反应要易于两个固体之间的反应， 那么水是不是该反应的催化剂？
四、催化剂作用的基本原理
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
催化剂作用的基本原理：降低反应的活化能 －－－加速化学反应趋于热力学平衡点 How ? 改变反应途径 Method ? 中间化合物、暂时介入
一、什么是催化剂和催化作用
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
Quo vadis catalysis?
The question was first asked, without a question mark, in 1962 by Paul Weisz in a preface to Volume 13 of Advances in Catalysis. Almost forty year latter, I ask the same question, but this time with a forbidding question mark.
• Principles of catalyst development－－ James T. Richardson • Heterogeneous catalysis in industrial practice －－Charles N.
Satterfield
• Industrial Catalysis: A Practical Approach－－Jens Hagen－
二、催化剂的定义
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
催化剂基本定义
A catalyst is a substance that increases the rate at which a chemical reaction approaches equilibrium without itself becoming permanently involved in the reaction. 一个催化剂是一种物质，它增加一个化学反应 达到平衡的速率，但它本身不永久的牵涉在反应中。 这种作用称为催化作用。 涉及催化剂的反应称为催化反应。
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
李永丹
催化导论
催化科学与工程系
ydli@tju.edu.cn
一、课程的主要内容
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
第一章、催化作用基本原理
§1.1 催化作用的定义与特征 §1.2 催化剂的组成与功能 §1.3 吸附与催化
四、催化剂－化学工业的基石
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
石油化学工业 能 源 食品工业 材 催化剂 料
现代化学工业 信 息
其它工业
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
世界历年催化剂销售额 世界催化剂估计耗用量
四、催化剂－化学工业的基石
催化是最常见的自然现象之一
生物过程
酶催化无处不在
自然过程
酸碱是地质、岩石、土壤演化的催化剂
人类很久以来即利用催化过程
发面、酿酒、酿醋
二、催化科学的发展
年代 天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
公元前 1740 1746 1806 1782 1816 1820 1824 1831 1834 1835 1913
国家
中国 英国 法国 瑞典 英国 德国 意大利 英国 德国 瑞典 德国
创始者
催化剂
阶段
发酵法酿酒、制醋 硫磺和硝石（硝酸钾）燃烧制硫酸――
生物催化（biocatalyst）
生物酶 非生物催化（18世纪） J. Ward 一氧化氮 J. Roebuck N. Clement 氧化氮 C.B. Desormes C.W. Scheele 无机酸 H. Davy 铂 J.W. Döbereiner 铂粉 A. Bellani P. Phillips E. Mitscherlich J.J. Berzelius 贝采里乌斯 F.Haber 熔铁 实现了合成氨的大规模生产－－催化工 铂
一、什么是催化剂和催化作用
催化作用概念的产生 天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
工业上采用催化剂的开始
阐明了二氧化硫氧化成三氧化硫的机理 乙酸和乙醇酯化反应成乙酸乙酯 甲烷和醇蒸汽在空气中的氧化 氢和氧的化合 识别了氢饱和的铂绵的催化作用――吸 附 二氧化硫空气中的氧化 乙醇和稀硫酸混合物蒸得醚和水――提
出接触反应 首次提出“催化作用”
艺发展史上的重要里程碑
三、催化领域相关诺贝尔奖
欣歇尔伍德等
泰勒
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
1930 1932
1939
20世纪50年代 20世纪50年代末 50—60年代初 1962
70年代
布达 对催化剂结构敏感和不敏感的催化反应的划分 等待突破的重大科学技术 陶斯特 水的光催化分解 金属载体强相互作用以及金属—金属、金属— 煤液化技术 氧化物、氧化物—氧化物等在某些类型的反应 天然气利用技术 中的协同催化作用等催化理论和概念 纳塔 高效环境净化技术 配位催化 1975 高效、绿色的催化技术 70—80年代 缪特蒂和乌戈等 均相多相催化相互关联的理论
四、催化剂作用的基本原理
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
非催化反应与催化反应的活化能（KJ/mol）
反应 E非 E催 催化剂
2HI H2 + I2
184
105
59
Au
Pt Au
2N2O 2N2 + O2
245
121
134
2H2O 2H2 + O2 正己烷裂化 降低幅度> 100 KJ/mol 244 230 126 75
Pt
Pt SiO2/Al2O3
H2 2Ha 四、催化剂作用的基本原理 反应物表面吸附
N2 2Na
尔特著 陈诵英译
• 工业催化原理 －－李玉敏编著 • 绿色催化过程与工艺－－王延吉, 赵新强编著
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
催化导论
第一章、催化作用基本原理
催化科学与工程系
一、催化现象与利用
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
1814 戴维（ Davy）
发现了煤气在铂上进行氧 化反应，详细描述反应过 程
1834
1836
1900
贝采里乌斯（Berzelius）
• 最先用催化作用一词来描述有关痕量物质，本身并不消 耗而能够影响反应速率的各种各样的观察结果 • 催化（catalysis）= cata(下降)+lysein(分裂或破碎)
三、催化剂定义的三层含义
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
作为一种化学物质参与反应 它是一种物质 必须参与反应---不能远程作用
遵守所有化学作用原理 提高反应达到平衡的速率
不能改变化学平衡和体系热力学状态
三、催化剂定义的三层含义
本身不永久与反应物结合
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
一、什么是催化剂和催化作用
催化作用概念的产生 天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论 R P
R
P
I
R *
P
1900 W. Ostwald
Intermé diaire instable 1900 P. Sabatier
Site actif 1925 H.S. Taylor
年代 获奖者
1909 范托霍夫 格利雅 1912
国家
荷兰 德国
贡献
研究催化、化学平衡和反应速率 发现有机氢化物的格利雅试剂法
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
萨巴蒂埃
1918 1932 1956 1989 2001 哈伯 朗缪尔 欣谢尔伍德 、 谢苗诺夫 切赫、 奥尔特曼 威廉· 诺尔斯； 野依良治； 巴里· 夏普莱斯 伊夫· 肖万、 罗伯特· 格拉布、 理查德· 施罗克 格哈德· 埃特尔
法拉第( Faraday） 基尔霍夫（Kirchoff）
研究了酸催化淀粉水解为 葡萄糖的反应 发表了一篇关于氢气和氧气在铂箔上反应的著名 文章 表征并评价了催化剂的活性、失活、中毒和活化 反应动力学研究
奥斯特瓦尔德（Ostwald）
提出了具有现代观点的催化剂和催化作用 的定义：“凡能改变化学反应的速度而本 身不形成化学反应的最终产物，就叫做催 化剂。”
四、催化剂－化学工业的基石
大气污染
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
厄 尔 尼 诺 世界催化剂市场用途分布
臭氧层破坏
酸 雨 水 污 染
固体废物
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
催化导论
Βιβλιοθήκη Baidu
§1.1 催化作用的定义与特征
催化科学与工程系
Second Edition, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, KGaA, 2006
• 催化过程的化学 －－(美)盖茨(Gates,B.C.)等著 徐晓等译 • 催化作用原理导论 －－邓景发编著 • 多相催化中的传质－－ (美) 萨特菲尔德 (Satterfield, C.N.)塞脱菲
法国
德国 美国 英国 德国 美国 加拿大 美国 日本 美国 法国 美国 美国 德国
研究金属催化加氢在有机化合成中的应用
发明工业合成氨催化剂和方法 提出并研究表面化学和吸附理论 研究化学反应动力学和链式反应 发现核糖核酸催化作用 发现和制造手性催化剂 手性催化氢化反应 手性催化氧化反应 烯烃复分解反应——是研究碳原子之间的化学联系是如何建立和分解的， 是一种产生化学反应的关键方法 固体表面化学——建立了研究固体表面化学过程的方法学； 在原子分子 层次提供了一个表面化学反应的完整图像。重要贡献在于对合成氨反应 过程的催化机理的认识和表面非线性反应动力学理论的建立
第二章、固体催化剂材料
§2.1 金属催化剂 §2.2 氧（硫）化物催化剂 §2.3 固体酸碱催化剂
第三章、工业催化剂研究内容
§3.1 工业催化剂设计原则 §3.2 工业催化剂制备方法 §3.3 工业催化剂的表征与评价
第四章、工业催化剂实例介绍
二、课程的主要参考书
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
2005
2007
三、催化理论及催化工程科学对社会的贡献
20世纪催化理论工作方面的贡献 年代 创始者
1925
1929
理论、模型
表面固有不均一性和活性中心概念 巴兰金 20世纪决定世界文明历史进程的重大技术 多位催化理论
提出和完善的中间化合物理论 合成氨技术 催化活化过渡态理论 维格纳等 石油加工技术 科巴捷夫 高聚物合成技术 活性集团催化理论 塑料、橡胶、化纤 沃尔肯斯坦，罗金斯基 半导体催化电子理论 基础化学品 道登 化学吸附的晶体场效应理论概念 硫酸、硝酸 魏茨等 环境净化技术 分子筛晶内催化和择形催化作用 柯西 废水、废气 齐格勒（Ziegler）—纳塔α—烯烃配位聚合催化 特别是汽车尾气净化 剂活性中心模型
dé localisé e physique
localisé e chimique
localisé e chimique
Michel Che
Presented on the “Workshop for Building up the Core Courses in Industrial Catalysis”, Tianjin, August, 2005
一定量催化剂能够参与大量分子的反应
反应物
催化剂
产物
三、催化剂定义的三层含义
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
判断题：
（1）光照、加热、通电可以加速化学反应，那么光、热、电是催化 剂吗？ （2）引发剂是催化剂吗？ （3）离子之间的反应常因加入盐而加速，那么此反应中的盐是不是 一种催化剂？
（4）硝酸镁和碳酸钠在水溶液中的反应要易于两个固体之间的反应， 那么水是不是该反应的催化剂？
四、催化剂作用的基本原理
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
催化剂作用的基本原理：降低反应的活化能 －－－加速化学反应趋于热力学平衡点 How ? 改变反应途径 Method ? 中间化合物、暂时介入
一、什么是催化剂和催化作用
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
Quo vadis catalysis?
The question was first asked, without a question mark, in 1962 by Paul Weisz in a preface to Volume 13 of Advances in Catalysis. Almost forty year latter, I ask the same question, but this time with a forbidding question mark.
• Principles of catalyst development－－ James T. Richardson • Heterogeneous catalysis in industrial practice －－Charles N.
Satterfield
• Industrial Catalysis: A Practical Approach－－Jens Hagen－
二、催化剂的定义
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
催化剂基本定义
A catalyst is a substance that increases the rate at which a chemical reaction approaches equilibrium without itself becoming permanently involved in the reaction. 一个催化剂是一种物质，它增加一个化学反应 达到平衡的速率，但它本身不永久的牵涉在反应中。 这种作用称为催化作用。 涉及催化剂的反应称为催化反应。
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
李永丹
催化导论
催化科学与工程系
ydli@tju.edu.cn
一、课程的主要内容
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
第一章、催化作用基本原理
§1.1 催化作用的定义与特征 §1.2 催化剂的组成与功能 §1.3 吸附与催化
四、催化剂－化学工业的基石
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
石油化学工业 能 源 食品工业 材 催化剂 料
现代化学工业 信 息
其它工业
天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
世界历年催化剂销售额 世界催化剂估计耗用量
四、催化剂－化学工业的基石
催化是最常见的自然现象之一
生物过程
酶催化无处不在
自然过程
酸碱是地质、岩石、土壤演化的催化剂
人类很久以来即利用催化过程
发面、酿酒、酿醋
二、催化科学的发展
年代 天 津 大 学 Tianjin University －－－催化导论
公元前 1740 1746 1806 1782 1816 1820 1824 1831 1834 1835 1913
国家
中国 英国 法国 瑞典 英国 德国 意大利 英国 德国 瑞典 德国
创始者
催化剂
阶段
发酵法酿酒、制醋 硫磺和硝石（硝酸钾）燃烧制硫酸――
生物催化（biocatalyst）
生物酶 非生物催化（18世纪） J. Ward 一氧化氮 J. Roebuck N. Clement 氧化氮 C.B. Desormes C.W. Scheele 无机酸 H. Davy 铂 J.W. Döbereiner 铂粉 A. Bellani P. Phillips E. Mitscherlich J.J. Berzelius 贝采里乌斯 F.Haber 熔铁 实现了合成氨的大规模生产－－催化工 铂