第一章-工业催化剂概述

催化剂（Catalyst）
IUPAC于1976年提出的催化作用的定义： 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。 IUPAC于1981年提出的催化剂的定义： 催化剂是一种物质，它能加速反应的速率 而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。 涉及催化剂的反应称催化反应。
催化剂 功能特点 优点 不足 过程易于控制，设 催化机理复杂，难 备及操作简单，催 于在实验室研究清 化 剂 易 与 产 品 分 楚。 离，产品质量高， 催化剂耐热性好， 应用最广。 催化剂的分离、回 易于在实验室研究 收及再生困难，工 清楚，易于表征， 艺复杂，贵金属价 活性比多相催化剂 高，资源缺乏。催 高。 化剂热稳定性较 差。 具有高活性及高选 酶易变性失活，合 择性，反应条件温 成困难，工业应用 和，专一性强，可 较少。 自动调节活性。

r催/r非催=E催/ E非催= 3×1013 每吨Fe催化剂能生产2万吨氨
催化剂为什么会加快反应速度？
活 化 能 E非催 334.6KJ/mol
1降低了反应活化 能 2改变了反应历程
E催 70KJ/mol
反应
催化剂的基本特征

催化剂只能改变化学反应速度，而不能 改变化学平衡的位置 Kr=ka/kd Kr不变，则ka、kd同时变化 催化剂不改变化学平衡，因此对正方向 有效的催化剂，对反方向反应也有效。

不同时期全球催化剂销售额
销售额/ 亿元
140 120 100 80 60 40 20 0 1975
1985
1995
2000
2007
年份
3.催化剂市场

市场地域结构 美国是全球最 大催化剂市场， 约占全球销售 额的36.4%，欧 洲国家为28%， 日本为12.2%， 其它亚洲和中 南美洲国家约 占23.4%。
酶的结构、性能与催化作用
酶是一种具有一定生理活性的功能蛋白质分子， 具有在温和条件下催化某些特定生物化学反应 的能力。 酶的存在状态：游离型和结合型 游离型主要存在于细胞中，以游离状态生活于 细胞质、线粒体中；或分散于血液、淋巴液中。 结合型主要存在于细胞内部，并与细胞壁、细 胞膜等结合在一起。

酶的结构、性能与催化作用
酶催化剂与化学催化剂比较，有以下特点： 活性高。 选择性高。 反应条件温和。 典型的配位催化作用机理。 可以随意调节活性。 易于修饰的活性位结构
酶催化剂的应用
应用领域：化工、饲料、皮革、造纸、纺织、 酿造。 酶催化剂具有手性结构，是不对称合成的最佳 催化剂组分，在药物合成领域有非常广阔的应 用前景。

满足社会各方面需要

衣、食、住、行
2.催化剂在经济社会发展过程中的 作用与地位
据统计，现有90%以上的化工过程是采
用催化剂进行生产的。借助于催化剂生 产的产品总值在全世界工业生产总值中 约占18%，仅低于机械产品的总值。
3.催化剂市场
全球催化剂销售 额（美元） 1975年8.2亿 1980年11.9亿 1985年25.08亿 1990年59.84亿 1995年85亿 1996年90亿 2000年100亿 2001年105亿 2007年135亿
→RCH2CH2CHO+RCH(CHO)CH3
C2H4→1/n (C2H4)n
HCo(CO)4 α-TiCl3/Al(C2H5)2Cl
均相配位络合物催化剂
络合催化剂：通式 MLn
M—中央金属。具有空d轨道的过渡金属（Fe、 Co、Ni、Ru、Rb、Pd) L—配位体。能提供一对电子的物体（离 子:Cl-、Br-、CN-，极性分子：NH3、H2O、 CO)
催化剂作用的基本特征
催化剂只能加速热力学上可能进行的化 学反应 催化剂只能改变化学反应速度，而不能 改变化学平衡的位置 催化剂对反应具有选择性 催化剂具有寿命

催化剂的基本特征

催化剂只能加速热力学上可能进行的化 学反应 △G<0
A→B
r=kCA k=k0exp(-E/RT)
催化剂的基本特征
催化剂的分类
按工艺和工程特点分类
◇多相固体催化剂 ◇均相配合物催化剂 ◇酶催化剂
国内外工业催化剂的分类

美国工业催化剂分类
国内外工业催化剂的分类

日本工业催化剂分类
国内外工业催化剂的分类
中国工业 催化剂分类

催化剂的化学组成和物理结构
多相固体催化剂的组成
多相固体催化剂
主催化剂 共催化剂 助催化剂 载体
均相配位络合物催化剂
络合催化：催化剂在反应过程中对反应物起络 合作用，并使之在配位空间进行催化的过程。
工业上典型的络合催化实例：
反应 C2H4+1/2O2→CH3CHO CH3OH+CO→CH3COOH
RCH=CH2+CO2+H2
催化剂 PdCl2-CuCl2-HCl RhCl(CO)(PPh3)2/CH3I

领域
酶
蛋白酶
应用
蛋白质污染清除 淀粉污染清除 脂肪污染清除
洗涤
淀粉酶 脂肪酶
淀粉酶
淀粉、燃料 葡萄糖异构化酶 木聚糖酶 纤维素酶 纺织 漆虫酶 脂肪酶 有机合成 酰基转化酶
淀粉生物液化
葡萄糖果糖转化 燃料与淀粉降粘 布匹修整、棉花软化 漂白 手性醇与胺的分离 盘尼西林的半合成
多相、均相和酶催化的功能特点
萌芽时期
几千年前（殷商）发酵法——酒、 醋 1746年J.Roebuck 铅室法制硫 酸，用NO2作气相催化剂，实现 了第一个现代工业催化过程。 1811年，俄国科学家从科学意义 上最先发现了催化作用，热的淀 粉水溶液中添加盐酸时促进淀粉 水解生成糖。

萌芽时期
1835年，Berzelius首先 提出“催化作用” 1875年耶可布（Cjacob） 建立了以Pt为催化剂的 接触法生产硫酸的工业 方法，是化学工业的重 要进步。
第一章 工业催化剂概述
催化工业的形成和发展
催化剂在经济上的地位和作用
催化剂市场
若干术语和基本概念
1.催化工业的形成与发展

二十世纪以前（萌芽时期） 二十世纪初 （奠基时期） 二十世纪30~60年代（大发展时期） 二十世纪70年代以后（成熟时期） 二十一世纪，催化工业重点：生物催化剂、环 保催化剂（废气排放控制）、燃料电池（能源 生产）、催化新材料等。
合成氨


N2+3H2→3NH3
催化剂：Fe-Al2O3-K2O 每吨催化剂可产2万吨氨 N2来源：空气分离 H2来源: 烃类水蒸气转化法。 工艺（涉及反应）：加氢、脱硫、转化、变换、 甲烷化、氨合成。需用八种不同催化剂

石油
煤
天然气
合成气
精细化工
产量小附加值高 医药、农药、染料、 香料、涂料、各种 助剂、合成材料等。
催化剂的基本特征

催化剂对反应具有选择性
CH3OH Cu 260℃ 100巴 CnH2n+1OH Cu 碱助催化，高温高压 CO + H2 → CH4 Ni 250℃ 20巴 合成汽油 Fe 、Co、Ni 200℃ 1-20巴 环氧乙烷 Ag C2H4+O2→ 乙醛 PdCl2-CuCl2 醋酸 Pd/SiO2
结构型
电子型
晶格缺陷型
主催化剂

起催化作用的根本性物质，即催化 剂的活性组分， 如合成氨催化剂中 的Fe。
wenku.baidu.com催化剂
和主催化剂同时起作用的组分，如
脱氢催化剂Cr2O3-Al2O3中的Al2O3。 甲醇氧化的Mo-Fe催化剂中的Fe。
助催化剂
具有提高催化剂活性、选择性、改
善催化剂耐热性、抗毒性、机械强 度、寿命等性能的组分，它本身无 活性，但可改变催化性能。如合成 氨催化剂中的Al2O3、K2O
成熟时期
如分子筛催化剂、匀相催化剂、酶催化剂 。代表性的为：手性催化等得到了蓬勃的 发展。 同时，现代表征手段技术的应用，为分析催 化反应机理，建立催化模型提供了帮助。
2.催化剂在经济社会发展过程中的 作用与地位
提高社会生产水平(合成氨）
扩大资源利用范围（石油、煤、
天然
气、合成气） 提取制造重要物质（精细化工） 满足社会各方面需要（衣、食、住、行、 环保、国防）
催化剂的分类
根据化学键分类
金属键、离子键、配位键 按元素周期律分类 主族元素：单质、化合物、含氧酸 过渡元素：单质、离子
催化剂的分类
按催化剂组成及其使用功能分类
金属：加氢、脱氢、加氢裂解、（氧化） 半导体氧化物和硫化物：氧化、脱氢、脱
硫
绝缘体氧化物：脱水
酸：聚合、异构化、裂化、烷基化
催化剂和催化作用 催化剂作用基本特征
催化剂分类
催化剂化学组成和物理结构
多相、均相和酶催化的功能特点
催化剂和催化作用
1835年，
Berzelius首先提出“催化作 用”概念。 1902年，W.Ostwald 定义催化作用： “加速反应而不影响化学平衡的作用” 文献：催化剂是一种能够改变化学反应 速度，而它本身又不参与最终产物的物 质。
催化剂的基本特征
●催化剂具有寿命
催化剂在使用过程中会失去活性 原因:中毒、积碳、烧结、组分流失等
催化剂的分类
根据聚集状态的分类
根据化学键分类
按元素周期律分类
按催化剂组成及其使用功能分类
按工艺与工程特点分类
国内外工业催化剂分类法
催化剂的分类
根据聚集状态的分类 固体 气相 催化剂： 液体 反应物： 液相 气体 固相 气固 Fe催化合成氨 气液 磷酸催化烯烃聚合反应 液固 金催化过氧化氢分解 气液固 钯催化硝基苯加氢合成苯胺

催化剂和催化作用
催化循环
A
B
separation
P
catalyst
bonding
A B
catalyst
reaction
catalyst
P
Ethylene Hydrogenation
C2H4 + H2 C2H6
Nickel
Ni
Nickel
Nickel
Nickel
Nickel
Adsorption – Surface Reaction – Desorption

J.J. Berzelius
奠基时期
1907年油脂加氢生产硬化油，为近代有机工 业的先河。 （法国Scbatier 1912年获诺贝尔 化学奖 ） 1904开始德国化学家Haber研究合成氨催化 剂，（1918年获诺贝尔化学奖）

大发展时期
1929年由法国E.J.Houdry开发流化床催化 裂化工艺（FCC） 三十年代初，Ipatieff用白土做催化剂对烃 类进行脱氢、异构、加氢、叠合等，1937 年，与他的学生Pines在UOP公司的资助下 发明了高辛烷值的叠合汽油和烷基化汽油 。 二十世纪三十年代末发现聚乙烯（ PE）， 1953年，K.Ziegler-Natta催化剂问世。
催化剂市场地域分布
美国
西欧
日本
其它
3.催化剂市场

市场的需求结构
2004年催化剂市场需求结构 10 21 2007年催化剂市场需求结构 22 21
22
20 27 30
27
炼油 石油化工 环保 聚合 精细化工中间体
炼油
化工
环保
聚合
4.催化技术研究和应用内容



更新原料路线，采用更廉价的原料（资源有效 利用） 革新工艺流程，促进新工艺过程的开发（发展 绿色清洁化工生产技术，走可持续发展的道路） 缓和工艺操作条件，达到节能降耗的目的（节 能） 开发新产品，提高产品的收率，改善产品的质 量（开发新产品） 消除环境污染（环境保护）
N－配位体数目，2、3、4……。
络合催化特点
①活性高 ②反应条件缓和
③选择性高
生物催化剂（酶）
生物催化剂，俗称酶，酶是生物体内 一类天然蛋白质，是由碳（~55%）、 氢（~7%）、氧（~20%）、氮 （~18%）、以及少量硫（~2%）元素 和金属离子组成的天然高分子化合物。 指能加速特殊反应的生物分子
非催化： 催化剂C: A+B→AB A+C→AC AC+B→AB+C A+B→AB 合成氨： N2+H2→NH3 Fe催化剂：N2+*→2N* H2+* → 2H * N*+H*→NH* NH*+H*→NH2* NH2*+H*→NH3+*

在500℃时，合成氨E非催= 334.6KJ/mol，E催=70 KJ/mol
载体
是活性组分的分散剂、粘合剂或支
撑物。一般为没有活性的惰性物质， 在催化剂中含量较高。 常用的载体有：高比表面的有活性 炭、硅胶、氧化铝；中等比表面的 有硅藻土、石棉；低表面的有：刚 玉、浮石等。
载体的作用
提供有效的表面和适宜的孔结构。 增强催化剂的机械强度，使催化剂
具有一定的形状。 改善催化剂的传导性。 减少活性组份的含量