第四章催化剂的选择设计和制备
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造也可能改变，所以，同一周期元素的变化比同一族元素的变 化影响要大一些。
同一类型反应可选用不同化合态的物质做催化剂
(3)利用催化功能组合构思催化剂 有许多催化反应是由一系列化学过程来完成的。因此需
要不同的催化活性中心来实现，并有可能存在协同作用。 ?举例：
重整反应就是由一系列脱氢、加氢反应与异构化、环化 反应构成的。在所涉及的各步反应中需要不同催化功能的 活性中心。如脱氢反应需要有促进电子转移的活性中心， 异构化反应则需要有质子转移能力的活性中心。
（3）丙烯氨氧化催化剂：生产每吨丙烯腈丙烯消耗由最初的1.4 到现在1.1吨
（4）通过催化剂改进甲醇合成反应压力和反应温度由25MPa,400 ℃降为5MPa,200℃
(2) 利用现有廉价原料合成化工产品
?用廉价原料研制开发化工产品所需催化剂 化工产生中原料费用占总成本的60-70%使用廉价原料是降低生产成
? 温度
? 低温有利于晶核形成，不利于长大，高温时 有利于增大，吸附杂质也少
金属盐溶液
NaOH(Na2CO3)
沉淀
活
洗涤 干燥 焙烧 研磨 成型
化
催化剂
4.3.1.1 沉淀法分类
（1）单组分沉淀法
? 制备非贵金属的单组分催化剂或载体
载体Al 2O3
Al3+ + OH-
Al2O3.nH2O
烧焙
α- Al2O3， γ- Al2O3， η-Al2O3
（2）共沉淀法
? 多个组分同时沉淀（各组分比例较恒定，分 布也均匀）
（２）比较各步骤的相对速度，决定其控制步骤 有针对性地考虑所需催化剂。对于多功能催化反 应，至少要有两种以上活性组分，缺一不可。因 为所经历的反应机理中涉及到两种以上活性中心 来加速催化反应。这样可初步确定催化剂的活性 组分。 （３）催化剂功能强度的调节
工业催化剂与实验室催化剂异同： 1. 应用基础研究催化剂是工业催化剂基础 . 2. 工业催化剂不等同小试研究催化剂 . 主要差别: 1. 工业催化剂要适应化学工程特点 2. 工业催化剂要适应化学工程反应条件
原先工艺需要五步
现在工艺（两步）
4.1.2 选择催化剂常用方法
(1)利用元素周期表进行催化剂活性组分的选择 （a）同一族元素具有相近的化学性质，表现出近似的催化 功能。
举例: ①V2O5是选择氧化常用催化剂
同一族Nb2O5和Ta2O5也有选择氧化性能 ②丁烷选择氧化制顺酐工业用MoO3-V2O5系催化剂同一
+
CO2
加热到90-100 0C尿素， 同时释放出OH-
（4）导晶沉淀法
? 借助晶化导向剂引导非晶型沉淀转化为晶型沉淀
X,Y分子筛 合成
分子筛合 成原料
加晶种 晶化
无定型物 转
X，Y晶体 化
高结晶度
4.3.1.1 沉淀法要求
（1）沉淀时金属盐类的选择
? 一般选用硝酸盐（大都溶于水） ? 贵金属为氯化物的浓盐酸溶液 ? 铼选用高铼酸（ H2Re2O7）
合wenku.baidu.com甲醇 CuO-ZnO-Al2O3
Na2CO3
Cu(NO3) 2 Zn (NO3) 2 Al (NO3) 3 溶液
PH中性
三元混合氧 化物沉淀
（3）均匀沉淀法
? 金属盐溶液与沉淀剂充分混合后，逐渐改变条件得 到颗粒均匀、纯净的沉淀物
尿素调节碱性
(NH2)2CO + 3H 2O
2NH
+ 4
+
2OH -
本重要途径。
?醋酸生产 最初：乙炔水合乙醛氧化为醋酸（HgCl2） 后来：乙烯直接氧化制乙醛再氧化为醋酸（PdCl2-CuCl2） 现在：甲醇羰基合成醋酸（铑络合物）
(3)化工新产品开发研制催化剂 (a)基本有机化学品 (b)药物合成 (c)高分子材料合成 (d)生物制品及精细专用化学品合成
环境友好工艺的开发而研制催化剂-绿色催化 举例：4-甲基噻唑生产
4.2 催化剂设计步骤
（1）反应机理分析、反应热力学和动力学分析
①在动力学上反应分子数不应高于双分子，因为三分子 反应是罕见的。
②在热力学上平衡常数极小的反应是不现实的，因为经 历这样的过程，中间物种浓度太低。
③应抛弃反应热过大的吸热反应，因为这类反应的活化 能太高，在动力学上是不利的。
④在合理的范围内，应该选用所经历步骤最少的反应机 理。根据上述原则，可以拟定出反应机理。
族WO3也具有同样功能 ③金属加氢常用Fe、Co、Ni Ⅷ族元素
同一族元素Re、Rh、Pd、Pt等也是优良的加氢催化剂。
注意: 同一族共同点是电子构型相同 但存在以下不同点：
原子（或离子）的半径不同、核电荷数等不同，从而 影响催化性能。
（2）利用同一周期元素性质变化选择催化剂 同一周期元素位置变化时，电子构型改变，而且晶体构
（1）现有催化剂的改进
（a）提高催化剂的活性、选择性和延长寿命， 以便提高生产能力和产品质量； （b）降低催化剂制造成本，改进催化剂使用条 件。
举例
（1）30万吨合成氨催化剂催化剂活性提高1%每年可增产3000吨 氨。
（2）45万吨乙烯装置乙炔加氢催化剂选择性提高0.5%，每年可 增产乙烯2250吨
（2）沉淀时沉淀剂的选择
? 易分解挥发除去（氨气，氨水，铵盐，碳酸盐等） ? 形成的沉淀物便于过滤和洗涤（最好是晶型沉淀，
杂质少，易过滤洗涤） ? 沉淀剂的溶解度要大（这样被沉淀物吸附的量就少） ? 沉淀物的溶解度应很小 ? 沉淀剂无污染
（3）沉淀形成影响因素
? 浓度
? 溶液浓度过饱和时，晶体析出，但太大晶核 增多，晶粒会变小）
工业催化剂填充
4.3 催化剂的一般制备方法
不同制备方法，成分、用量相同，但催化剂 的性能可能不同。
? 沉淀法 ? 浸渍法 ? 混合法 ? 离子交换法
此外还原法，热分解法、熔融法、
4.3.1 沉淀法
借助于沉淀反应。用沉淀剂将可溶性的催化剂组分转 变为难溶化合物。经过分离、洗涤、干燥和焙烧成型或还 原等步骤制成催化剂。常用于制备高含量非贵金属、金属 氧化物、金属盐催化剂的一种方法。
4 催化剂的选择、设计和制备
4.1 催化剂的选择分类 4.2 催化剂设计步骤 4.3 催化剂的一般制备方法
基本要求：掌握催化剂的组分筛选、熟悉催 化剂设计的一般步骤。熟悉催化剂的制备过 程；
4.1 催化剂的选择分类
?4.1.2 催化剂研发的目的 不断改进现有催化剂的性能 利用现有廉价原料合成化工产品 为化工新产品和环境友好工艺的开发
同一类型反应可选用不同化合态的物质做催化剂
(3)利用催化功能组合构思催化剂 有许多催化反应是由一系列化学过程来完成的。因此需
要不同的催化活性中心来实现，并有可能存在协同作用。 ?举例：
重整反应就是由一系列脱氢、加氢反应与异构化、环化 反应构成的。在所涉及的各步反应中需要不同催化功能的 活性中心。如脱氢反应需要有促进电子转移的活性中心， 异构化反应则需要有质子转移能力的活性中心。
（3）丙烯氨氧化催化剂：生产每吨丙烯腈丙烯消耗由最初的1.4 到现在1.1吨
（4）通过催化剂改进甲醇合成反应压力和反应温度由25MPa,400 ℃降为5MPa,200℃
(2) 利用现有廉价原料合成化工产品
?用廉价原料研制开发化工产品所需催化剂 化工产生中原料费用占总成本的60-70%使用廉价原料是降低生产成
? 温度
? 低温有利于晶核形成，不利于长大，高温时 有利于增大，吸附杂质也少
金属盐溶液
NaOH(Na2CO3)
沉淀
活
洗涤 干燥 焙烧 研磨 成型
化
催化剂
4.3.1.1 沉淀法分类
（1）单组分沉淀法
? 制备非贵金属的单组分催化剂或载体
载体Al 2O3
Al3+ + OH-
Al2O3.nH2O
烧焙
α- Al2O3， γ- Al2O3， η-Al2O3
（2）共沉淀法
? 多个组分同时沉淀（各组分比例较恒定，分 布也均匀）
（２）比较各步骤的相对速度，决定其控制步骤 有针对性地考虑所需催化剂。对于多功能催化反 应，至少要有两种以上活性组分，缺一不可。因 为所经历的反应机理中涉及到两种以上活性中心 来加速催化反应。这样可初步确定催化剂的活性 组分。 （３）催化剂功能强度的调节
工业催化剂与实验室催化剂异同： 1. 应用基础研究催化剂是工业催化剂基础 . 2. 工业催化剂不等同小试研究催化剂 . 主要差别: 1. 工业催化剂要适应化学工程特点 2. 工业催化剂要适应化学工程反应条件
原先工艺需要五步
现在工艺（两步）
4.1.2 选择催化剂常用方法
(1)利用元素周期表进行催化剂活性组分的选择 （a）同一族元素具有相近的化学性质，表现出近似的催化 功能。
举例: ①V2O5是选择氧化常用催化剂
同一族Nb2O5和Ta2O5也有选择氧化性能 ②丁烷选择氧化制顺酐工业用MoO3-V2O5系催化剂同一
+
CO2
加热到90-100 0C尿素， 同时释放出OH-
（4）导晶沉淀法
? 借助晶化导向剂引导非晶型沉淀转化为晶型沉淀
X,Y分子筛 合成
分子筛合 成原料
加晶种 晶化
无定型物 转
X，Y晶体 化
高结晶度
4.3.1.1 沉淀法要求
（1）沉淀时金属盐类的选择
? 一般选用硝酸盐（大都溶于水） ? 贵金属为氯化物的浓盐酸溶液 ? 铼选用高铼酸（ H2Re2O7）
合wenku.baidu.com甲醇 CuO-ZnO-Al2O3
Na2CO3
Cu(NO3) 2 Zn (NO3) 2 Al (NO3) 3 溶液
PH中性
三元混合氧 化物沉淀
（3）均匀沉淀法
? 金属盐溶液与沉淀剂充分混合后，逐渐改变条件得 到颗粒均匀、纯净的沉淀物
尿素调节碱性
(NH2)2CO + 3H 2O
2NH
+ 4
+
2OH -
本重要途径。
?醋酸生产 最初：乙炔水合乙醛氧化为醋酸（HgCl2） 后来：乙烯直接氧化制乙醛再氧化为醋酸（PdCl2-CuCl2） 现在：甲醇羰基合成醋酸（铑络合物）
(3)化工新产品开发研制催化剂 (a)基本有机化学品 (b)药物合成 (c)高分子材料合成 (d)生物制品及精细专用化学品合成
环境友好工艺的开发而研制催化剂-绿色催化 举例：4-甲基噻唑生产
4.2 催化剂设计步骤
（1）反应机理分析、反应热力学和动力学分析
①在动力学上反应分子数不应高于双分子，因为三分子 反应是罕见的。
②在热力学上平衡常数极小的反应是不现实的，因为经 历这样的过程，中间物种浓度太低。
③应抛弃反应热过大的吸热反应，因为这类反应的活化 能太高，在动力学上是不利的。
④在合理的范围内，应该选用所经历步骤最少的反应机 理。根据上述原则，可以拟定出反应机理。
族WO3也具有同样功能 ③金属加氢常用Fe、Co、Ni Ⅷ族元素
同一族元素Re、Rh、Pd、Pt等也是优良的加氢催化剂。
注意: 同一族共同点是电子构型相同 但存在以下不同点：
原子（或离子）的半径不同、核电荷数等不同，从而 影响催化性能。
（2）利用同一周期元素性质变化选择催化剂 同一周期元素位置变化时，电子构型改变，而且晶体构
（1）现有催化剂的改进
（a）提高催化剂的活性、选择性和延长寿命， 以便提高生产能力和产品质量； （b）降低催化剂制造成本，改进催化剂使用条 件。
举例
（1）30万吨合成氨催化剂催化剂活性提高1%每年可增产3000吨 氨。
（2）45万吨乙烯装置乙炔加氢催化剂选择性提高0.5%，每年可 增产乙烯2250吨
（2）沉淀时沉淀剂的选择
? 易分解挥发除去（氨气，氨水，铵盐，碳酸盐等） ? 形成的沉淀物便于过滤和洗涤（最好是晶型沉淀，
杂质少，易过滤洗涤） ? 沉淀剂的溶解度要大（这样被沉淀物吸附的量就少） ? 沉淀物的溶解度应很小 ? 沉淀剂无污染
（3）沉淀形成影响因素
? 浓度
? 溶液浓度过饱和时，晶体析出，但太大晶核 增多，晶粒会变小）
工业催化剂填充
4.3 催化剂的一般制备方法
不同制备方法，成分、用量相同，但催化剂 的性能可能不同。
? 沉淀法 ? 浸渍法 ? 混合法 ? 离子交换法
此外还原法，热分解法、熔融法、
4.3.1 沉淀法
借助于沉淀反应。用沉淀剂将可溶性的催化剂组分转 变为难溶化合物。经过分离、洗涤、干燥和焙烧成型或还 原等步骤制成催化剂。常用于制备高含量非贵金属、金属 氧化物、金属盐催化剂的一种方法。
4 催化剂的选择、设计和制备
4.1 催化剂的选择分类 4.2 催化剂设计步骤 4.3 催化剂的一般制备方法
基本要求：掌握催化剂的组分筛选、熟悉催 化剂设计的一般步骤。熟悉催化剂的制备过 程；
4.1 催化剂的选择分类
?4.1.2 催化剂研发的目的 不断改进现有催化剂的性能 利用现有廉价原料合成化工产品 为化工新产品和环境友好工艺的开发