《工业催化基础》课件(第1章 绪论)2014-1.ppt
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《工业催化基础》课件(第1章 绪论)2014-1
5、接触时间
指单位量的反应物料（体积或质量），在反应中通过单位量 催化剂（体积或质量）所用的时间。通常接触时间有两种计 算方法： • 空速的倒数 • 催化剂床层高度除以反应物料的线速度
精品课件
化工资源有效利用国家重点实验室
第三节 工业催化的常用术语
6、活性位
指催化剂中真正起催化作用的那些部位，通常也称为活性中心。 催化剂的活性位在不同的催化剂中是不一样的，它可以是一个质 子、固体表面的不饱和的原子、表面原子簇（cluster）、配位络 合物、蛋白质上的胶束囊（supermolecular pocket）等。在催 化反应中，反应物或中间物能吸附在它上面。
3、收率（Yield）
指给定反应产物的生成量和原料中某一组分加入量之比。如上述 反应中产物B的收率（Y）可表示为：
Y(%) B 100% A0
此式表明收率是转化率和选择性的乘积，一个催化剂只有同时具 有高转化率和高选择性，才具有高的活性。
另外，工业催化剂常以给定条件下(温度、压力、进料组成、进料 空速均一定)单位时间内，单位体积或单位质量催化剂所得产物的 量，即时空收率来表示。因为时空收率乘上反应器填装的催化剂 体积或质量，就能直接给出单位时间内生产的产物的量，或直接 给出完成一定的生产任务所需催化剂的体积或质量，所以时空收 率在生产和设计中使用起来很方便。
环境催化：指利用催化剂控制环境不能接收的化合物排放的化学过程，同时也 包括那些应用催化剂生产少污染的产物，以及能减少废物和无副产污染物的绿 色化学新过程。也就是说，应用催化剂可以将排放出的污染物转化成无害物质， 或者回收加以重新利用。可以在生产过程中尽可能地减少污染物的排放量，以 及无污染排放，并且用新的催化工艺制备化学品，取代对环境有害的物质，从 根本上解决环境污染问题。这些方面催化剂起着关键的作用，如SO2和NOx的 催化消除；机动车尾气的催化净化；工业有机废气的催化治理；室内空气污染 物的催化净化；水中有机污染物的催化治理；固体废气物的资源化和综合利用； CO2的回收、固定和再利用等。 精品课件
指单位量的反应物料（体积或质量），在反应中通过单位量 催化剂（体积或质量）所用的时间。通常接触时间有两种计 算方法： • 空速的倒数 • 催化剂床层高度除以反应物料的线速度
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第三节 工业催化的常用术语
6、活性位
指催化剂中真正起催化作用的那些部位，通常也称为活性中心。 催化剂的活性位在不同的催化剂中是不一样的，它可以是一个质 子、固体表面的不饱和的原子、表面原子簇（cluster）、配位络 合物、蛋白质上的胶束囊（supermolecular pocket）等。在催 化反应中，反应物或中间物能吸附在它上面。
3、收率（Yield）
指给定反应产物的生成量和原料中某一组分加入量之比。如上述 反应中产物B的收率（Y）可表示为：
Y(%) B 100% A0
此式表明收率是转化率和选择性的乘积，一个催化剂只有同时具 有高转化率和高选择性，才具有高的活性。
另外，工业催化剂常以给定条件下(温度、压力、进料组成、进料 空速均一定)单位时间内，单位体积或单位质量催化剂所得产物的 量，即时空收率来表示。因为时空收率乘上反应器填装的催化剂 体积或质量，就能直接给出单位时间内生产的产物的量，或直接 给出完成一定的生产任务所需催化剂的体积或质量，所以时空收 率在生产和设计中使用起来很方便。
环境催化：指利用催化剂控制环境不能接收的化合物排放的化学过程，同时也 包括那些应用催化剂生产少污染的产物，以及能减少废物和无副产污染物的绿 色化学新过程。也就是说，应用催化剂可以将排放出的污染物转化成无害物质， 或者回收加以重新利用。可以在生产过程中尽可能地减少污染物的排放量，以 及无污染排放，并且用新的催化工艺制备化学品，取代对环境有害的物质，从 根本上解决环境污染问题。这些方面催化剂起着关键的作用，如SO2和NOx的 催化消除；机动车尾气的催化净化；工业有机废气的催化治理；室内空气污染 物的催化净化；水中有机污染物的催化治理；固体废气物的资源化和综合利用； CO2的回收、固定和再利用等。 精品课件
第一章工业催化剂概述 PPT
1746年J、Roebuck 铅室法制硫 酸 第,一用个N现O2代作工气业相催催化化过剂程,实。现了
1811年,俄国科学家从科学意义 上最先发现了催化作用,热得淀 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为催化剂得 接触法生产硫酸得工业 方法,就是化学工业得重 要进步。
J、J、 Berzeli
奠基时期
1907年油脂加氢生产硬化油,为近代有机工业 得先河。 (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)
非催化: A+B→AB
催化剂C: A+C→AC
AC+B→AB+C
A+B→AB
合成氨: N2+H2→NH3 Fe催化剂:N2+*→2N*
NH*+H*→NH2*
H2+* → 2H * N*+H*→NH* NH2*+H*→NH3+*
在500℃时,合成氨E非催= 334、6KJ/mol,E催=70 KJ/mol
催化剂与催化作用
催化循环
AB
P
separation
catalyst
bonding
AB
catalyst
P
catalyst
reaction
Ethylene Hydrogenation
Ni
C2H4 + H2 C2H6
1811年,俄国科学家从科学意义 上最先发现了催化作用,热得淀 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为催化剂得 接触法生产硫酸得工业 方法,就是化学工业得重 要进步。
J、J、 Berzeli
奠基时期
1907年油脂加氢生产硬化油,为近代有机工业 得先河。 (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)
非催化: A+B→AB
催化剂C: A+C→AC
AC+B→AB+C
A+B→AB
合成氨: N2+H2→NH3 Fe催化剂:N2+*→2N*
NH*+H*→NH2*
H2+* → 2H * N*+H*→NH* NH2*+H*→NH3+*
在500℃时,合成氨E非催= 334、6KJ/mol,E催=70 KJ/mol
催化剂与催化作用
催化循环
AB
P
separation
catalyst
bonding
AB
catalyst
P
catalyst
reaction
Ethylene Hydrogenation
Ni
C2H4 + H2 C2H6
工业催化原理PPT
1.2.1催化反应分类
按催化反应系统物相的均一性进行分类
均相催化反应
非均相（又称多 相）催化反应
酶催化反应
均相催化反应是指 反应物和催化剂居 于同一相态中的反 应。
非均相催化反应是 指反应物和催化剂 居于不同相态的反 应。
酶催化反应同时 具有均相和非均 相反应的性质。
1.2.1催化反应分类
按反应类型进行分类
表1-3 催化剂对可能进行的特定反应的选择催化作
反应类用型
常用催化剂
加氢 脱氢 氧化
羰基化
聚合 卤化 裂解 水合 烷基化，异构化
Ni,Pt,Pd,Cu,NiO,MoS2,WS2,Co(CN)63Cr2O3,Fe2O3,ZnO,Ni,Pd,Pt V2O3,MoO3,CuO,Co3O4,Ag,Pd,Pt,PdCl2 Co2(CO)8,Ni(CO)4,Fe(CO)3,PdCl(Pph3)3*,RhCl2(CO)Pp
问题2：请同学们举二个以上的实例？
1.1.4催化剂对加速化学反应具有选择性
表1-2 催化剂对可能进行的特定反应的选择催化作 用
反应物 催化剂及反应条件
Rh/Pt/SiO2，573K，7×105Pa
CO+H
2
Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K, 1.0133×107～ 2.0266×107Pa
1.1.2催化作用不能改变化学平衡
问题1：实际工业上催化正反应、逆反应 时为什么往往选用不同的催化剂？
❖ 第一，对某一催化反应进行正反应和进行逆反应的操 作条件（温度、压力、进料组成）往往会有很大差别， 这对催化剂可能会产生一些影响。
❖ 第二，对正反应或逆反应在进行中所引起的副反应也 是值得注意的，因为这些副反应会引起催化剂性能变 化。
催化作用导论 第一章 催化作用基础.ppt
二、催化剂和催化过程 在国民经济中的地位与作用
1、对工业及经济的影响 2、对科学技术的影响 3、对人类日常生活的影响 4、催化剂市场
对科学技术的影响
工业催化包括两方面的工作： • 催化科学前沿领域工作（包括新型催
化剂的研制、开发，以及催化剂新现象、 新理论的研究）。 • 根据客户提出的要求，为客户设计具有 特定性能的工业催化剂产品，“订制” （包括催化剂的造型、正常操作要求、测 试及催化剂的再生）。
• 区别一个概念：
均相催化反应体系：有催化剂存在。 均相非催化反应体系 ：
2、按催化反应分
氧化还原反应：包括氧化、加氢和脱氢
酸碱反应：包括异构化、环化、歧化、脱水、 水合等过程
二、催化剂的分类
1、按催化过程分 均相催化剂：
多相催化剂：
2、按具有的催化功能 氧化－还原催化剂
酸碱催化剂 双功能催化剂 …………
工业催化剂的发展阶段
• 1923年，Fischer与tropsch F－T合成。 • 1936年，Houdry公司 利用改性的天然白土作为催化裂化剂，
生产高辛烷值汽油。 • 1953年，Ziegler－Natta 烷基铝－TiCl4为催化剂，实现了高
密度聚乙烯HDPE的工业化生产。 • 60年代初，人们意识到对环境污染导致的严重性，开始研
3、按催化的具体反应 ：氧化催化剂、 加氢催化剂、脱氢催化剂、
异构催化剂、环化催化剂 … …
4、按催化剂在使用条件下的物态
过渡金属催化剂：如N2+H2----------Fe 金属氧化物催化剂：如SO2--------SO3-------V2O5 硫化物：如CO+H2O-------CO2+H2-------Co-Mo 固体酸催化剂：如用于催化裂化的稀土分子筛 过渡金属络合物：
工业催化基础讲义最新课件
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第二节 浸渍法
一、浸渍法的工艺流程
催化剂载体
催化剂活性组分浸渍
干燥
焙烧
负载型催化剂
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第二节 浸渍法
二、各种浸渍法
1、等体积浸渍法： 本法是将多孔载体与它正好可吸附体积的浸
渍液相浸渍，由于浸渍溶液的体积与载体的微 孔体积相当，浸渍后浸渍溶液恰好浸渍载体而 无过剩，无需过滤等单元操作。等体积浸渍法 制备催化剂时，能精确调节负载量。
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15
第一节 沉淀法
（4）溶液的加料方式和搅拌强度
在沉淀过程中，待沉淀溶液和沉淀剂溶液加料的先后次 序对沉淀物也有一定的影响。如硝酸盐加碱沉淀时，先预 热硝酸盐到沉淀温度后逐渐加入到碱中，或先预热碱后逐 渐加入到硝酸盐中，或硝酸盐和碱分别预热后同时加入沉 淀槽中。沉淀时的局部pH值是有差别的，因此沉淀物的性 质也会有一定的差异。对于一个具体的沉淀反应，最后的 加料方式将会由催化剂的性质来确定。
为50-60℃的蒸馏水，洗涤至不显SO42-为止。洗净的沉淀转入 pH值为9.5-10.5.温度为60℃左右的氨水溶液中静置陈化4h，陈 化后沉淀物又重复过滤。洗涤至溶液的比电阻超过200Ω/cm， 将沉淀物与100-110℃温度下干燥，制得半结晶状的假-水软铝石 （ρ- Al2O3﹒nH2O）.最后在500℃焙烧6h，即可制得γ-Al2O3。
法，其沉淀物只有一个组分，因此，沉淀操作和过程控制相对 比较简单，是制备单组分催化剂或催化剂载体常用的方法。 如
以碱为沉淀剂，从酸化铝盐溶液中沉淀水合氧化铝，反应式如 下：
第一章 工业催化绪论+
（2）替代硫酸二甲酯和卤代甲烷
硫酸二甲酯和卤代甲烷是传统甲基化反应中剧毒和 致癌的物质， 致癌的物质，以DMC替代是对传统化工过程绿色化改造 替代是对传统化工过程绿色化改造 的必然。 的引入可以大大降低对环境的危害， 的必然。DMC的引入可以大大降低对环境的危害，提高 的引入可以大大降低对环境的危害 反应的原子经济性。 反应的原子经济性。 应用范围有：苯酚的氧甲基化、苯胺的氮甲基化、 应用范围有：苯酚的氧甲基化、苯胺的氮甲基化、 苯乙腈的甲基化。 苯乙腈的甲基化。
工业催化 第一章 绪论
非均相催化剂广泛应用于化学、炼油和污染控制过程中， 非均相催化剂广泛应用于化学、炼油和污染控制过程中，目前 世界范围内催化剂的年销售额约为100亿美元，并以每年约3%的速 世界范围内催化剂的年销售额约为100亿美元，并以每年约3%的速 100亿美元 3% 率增长。这些数字十分惊人，但更惊人的还是由它产生的经济效益， 率增长。这些数字十分惊人，但更惊人的还是由它产生的经济效益， 因为每消耗1美元催化剂可以生产200 1000美元的产品。而且有许 因为每消耗1美元催化剂可以生产200~1000美元的产品。 200 1000美元的产品 多污染控制设备（如汽车尾气催化转化器等）也大量使用催化剂。 多污染控制设备（如汽车尾气催化转化器等）也大量使用催化剂。 因此， 因此，非均相催化剂在人类经济生活和环境保护方面扮演着非 常重要的角色。进入21世纪， 可持续发展” 21世纪 常重要的角色。进入21世纪，“可持续发展”的理念已经进入了各 行各业，要求化工生产也实现“环境友好”的清洁化工生产， 行各业，要求化工生产也实现“环境友好”的清洁化工生产，化工 生产的发展趋势是“绿色化工” 这更依赖于新型、 生产的发展趋势是“绿色化工”，这更依赖于新型、高效催化剂及 催化过程的研发。 催化过程的研发。
工业催化原理ppt课件
CFSE对催化作用的影响
➢ 对六配位的八面体按SN-1机理进行反应时将形成 五配位中间过渡态构型。按SN-2机理进行时将形 成七配位的中间过渡态构型。
按配位场理论进行的过渡金属氧化物
催化过程
如果我们把吸附物当作配位体，多相催化过程可 以看作是均相配位（络合）催化过程的一个特例。
这样多相反应过程的吸附过程可以引起（稳定化 能）CFSE的变化。如在岩盐型结构氧化物（100） 表面金属离子的配位构型 退过吸附会从正方锥体 五配位变成八面体（六配位）。按SN-1机理吸附 作用对弱场中电子构型为d3和d8离子CFSE是有 利的。相反对反应物脱附来说则弱场中的d4和d9 离子和对强场中的d2，d7，d9离子有利。
B)对于施电子气体吸附（以H2为例）
➢ 对于H2来说，不论在n型还是p型氧化物上以正离 子(H+)吸附于表面，在表面形成正电荷，起施主 作用。
吸附气 半导体类 吸附物种 吸附剂 吸附位
EF
体
型
受电子 气体 （O2）
N型 V2O5）
O2→O2O-,O22-,O2-
P型 Cu2O
O2→O2O-,O22-,O2-
晶体场稳定化能（CFSE）
晶体场稳定化能（CFSE）
➢ d电子处于未分裂的d轨道的总能量和它们进入分 裂的d轨道的总能之差。即d电子从未分裂的d轨 道进入分裂后的d轨道后产生的总能量下降值。
➢ 这种由于中心离子（或原子）d轨道的分离，给予 氧化物（络合物）额外的稳定能，称这种能量为 稳定化能（CFSE）
半导体催化剂化学吸附与催化作用
1、化学吸附 A）受电子气体吸附（以O2为例） （1）在n型半导体上吸附
O2电负性大，容易夺导带电子，随氧压增大而使 导带中自由电子减少，导电率下降。另一方面在 表面形成的负电层不利于电子进一步转移，结果 是氧在表面吸附是有限的。
➢ 对六配位的八面体按SN-1机理进行反应时将形成 五配位中间过渡态构型。按SN-2机理进行时将形 成七配位的中间过渡态构型。
按配位场理论进行的过渡金属氧化物
催化过程
如果我们把吸附物当作配位体，多相催化过程可 以看作是均相配位（络合）催化过程的一个特例。
这样多相反应过程的吸附过程可以引起（稳定化 能）CFSE的变化。如在岩盐型结构氧化物（100） 表面金属离子的配位构型 退过吸附会从正方锥体 五配位变成八面体（六配位）。按SN-1机理吸附 作用对弱场中电子构型为d3和d8离子CFSE是有 利的。相反对反应物脱附来说则弱场中的d4和d9 离子和对强场中的d2，d7，d9离子有利。
B)对于施电子气体吸附（以H2为例）
➢ 对于H2来说，不论在n型还是p型氧化物上以正离 子(H+)吸附于表面，在表面形成正电荷，起施主 作用。
吸附气 半导体类 吸附物种 吸附剂 吸附位
EF
体
型
受电子 气体 （O2）
N型 V2O5）
O2→O2O-,O22-,O2-
P型 Cu2O
O2→O2O-,O22-,O2-
晶体场稳定化能（CFSE）
晶体场稳定化能（CFSE）
➢ d电子处于未分裂的d轨道的总能量和它们进入分 裂的d轨道的总能之差。即d电子从未分裂的d轨 道进入分裂后的d轨道后产生的总能量下降值。
➢ 这种由于中心离子（或原子）d轨道的分离，给予 氧化物（络合物）额外的稳定能，称这种能量为 稳定化能（CFSE）
半导体催化剂化学吸附与催化作用
1、化学吸附 A）受电子气体吸附（以O2为例） （1）在n型半导体上吸附
O2电负性大，容易夺导带电子，随氧压增大而使 导带中自由电子减少，导电率下降。另一方面在 表面形成的负电层不利于电子进一步转移，结果 是氧在表面吸附是有限的。
工业催化--第一章-催化剂与催化作用-(1).讲解学习
在催化反应动力学的研究中，活性多用 反应速率来表达。
反应速率表示方法
A→B反应，以V、S和W分别代表催化剂的体积、 表面积和重量，则以不同形式表示的反应速率r分 别是：
rv=（1／V）·(dNA／dt)=(1／V)·(dNB／dt) [mol·cm-3·h-1]
rs= (1/s)·(dNA/dt) =(1/s)·(dNB/dt) [mol·cm-2·h1]
XA=（反应后已转化的A摩尔数NA /进料 中A的摩尔数N0A）×100%
注意：在用转化率比较活性时，要求反 应温度、压力、原料气浓度和停留时间 都必须相同。
规定转化率所需的温度和空速表示法
用完成给定的转化率（如XA=80%）所需 要的温度来表示，温度越低活性越高。
压力、原料气浓度和停留时间等条件都必须 相同
这个表示方法很科学，但测定起来却不 容易。
活性中心（部位)---固体催化剂，其表面化 学性质和物理性质不同。
活性中心的测定：
金属催化剂---利用选择性化学吸附 酸性催化剂---用吸附碱性分子
催化反应速率表示法
反应速率表示反应快慢，一般有三种表 示方法。
以催化剂重量为基淮 以催化剂体积为基准 以催化剂表面积为基准
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 。
工业催化剂的要求
1. 活性 2. 选择性 3.稳定性与使用寿命 4.外形 5.抗压碎强度 6.导热性与比热 7.再生性能 8.可重复性
催化剂活性随时间变化曲线图
思考题
具有加氢功能的催化剂往往对脱氢 反应也有活性。试给予解释？
催化剂几个重要的性能指标
活性、选择性、稳定性 工业生产更多强调的是原料和能源的充
反应速率表示方法
A→B反应，以V、S和W分别代表催化剂的体积、 表面积和重量，则以不同形式表示的反应速率r分 别是：
rv=（1／V）·(dNA／dt)=(1／V)·(dNB／dt) [mol·cm-3·h-1]
rs= (1/s)·(dNA/dt) =(1/s)·(dNB/dt) [mol·cm-2·h1]
XA=（反应后已转化的A摩尔数NA /进料 中A的摩尔数N0A）×100%
注意：在用转化率比较活性时，要求反 应温度、压力、原料气浓度和停留时间 都必须相同。
规定转化率所需的温度和空速表示法
用完成给定的转化率（如XA=80%）所需 要的温度来表示，温度越低活性越高。
压力、原料气浓度和停留时间等条件都必须 相同
这个表示方法很科学，但测定起来却不 容易。
活性中心（部位)---固体催化剂，其表面化 学性质和物理性质不同。
活性中心的测定：
金属催化剂---利用选择性化学吸附 酸性催化剂---用吸附碱性分子
催化反应速率表示法
反应速率表示反应快慢，一般有三种表 示方法。
以催化剂重量为基淮 以催化剂体积为基准 以催化剂表面积为基准
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 。
工业催化剂的要求
1. 活性 2. 选择性 3.稳定性与使用寿命 4.外形 5.抗压碎强度 6.导热性与比热 7.再生性能 8.可重复性
催化剂活性随时间变化曲线图
思考题
具有加氢功能的催化剂往往对脱氢 反应也有活性。试给予解释？
催化剂几个重要的性能指标
活性、选择性、稳定性 工业生产更多强调的是原料和能源的充
1-工业催化原理PPT优秀课件
48
思考题： 2
2021/6/3
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思考题： 3
4 、
2021/6/3
50
2021/6/3
51
2021/6/3
52
部分资料从网络收集整 理而来，供大家参考，
感谢您的关注！
反应速率随表面精细结构而变化—结构 敏感反应。
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反应速率
反应速率表示反应快慢，一般有三种表 示方法。
以催化剂重量为基淮 以催化剂体积为基准 以催化剂表面积为基准
在催化反应动力学的研究中，活性多用 反应速率来表达。
2021/6/3
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2021/6/3
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速率常数
用速率常数比较活性时，要求温度相同。 在不同催化剂上反应，只有当反应的速 率方程有相同的形式时，用速率常数比 较活性大小才有意义。此时，速率常数 大的催化剂的活性高。
44
催化剂分类
金属催化剂（Ni,Fe, Cu, Pt, Pd….) 金属氧化物催化剂和金属硫化物催化剂
(多为半导体) Ln2O3 MoS 酸碱催化剂 配合物催化剂
2021/6/3
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双功能催化剂(多功能催化剂)
是指其催化的过程包含了两种或两种以 上不同反应机理，催化剂也具有不同类 型的活性位。
2021/6/地3 氧化为邻二甲苯酐。
6
催化理论的基本思想的形成
在这一时期，逐步产生了某些催化理论 的基本思想。例如，不稳定表面中间物 (1910年)，晶格非理想性(1920年)，表面 活性中心(1925年)，这些理论雏形在实践 中应用，起到了改进旧催化剂、开发新 催化剂的作用，推动了化学工业的发展。
Heterogeneous Catalysis Principles and Applications-----G.C. Bond, Oxford Science
工业催化PPT教学课件
我国化学工程与技术学科的发展中 里程碑
• 1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先 生建成上海天利氮气厂生产出液氨， 吴先生还创办了天厨味精厂（1923）、 天原电化厂（1929）和天盛陶器厂 （1934），以及范旭东在天津创办的 永利碱厂，这些化工原料的生产推动 了我国化学工业的发展
• 合成氨工业的巨大成功推动了化学工 业迅速发展，也带动了一系列化学工 程基础理论工作，如化工热力学、化 学工艺学、工业催化等。氨合成催化 剂的研究与改进已经尝试10万多个配 方，至今仍是催化界研究的方向
本课程基本内容催化材料催化材料aaddbbccee催化剂制备与表征技术各类催化剂及其催化作用工业催化剂发展简史催化作用基本原理催化反应催化反应动力学动力学能源环境催化催化新材料催化新技术第一章绪论第二章催化作用与催化剂第三章吸附作用与多相催化第四章各类催化剂及其催化作用第五章环境保护催化与环境友好催化第六章未来能源和燃料工业用催化技术第七章新材料合成用催化技术和具有突异催化性能的新材料第八章生物催化技术第九章工业催化剂的制备与使用第十章工业催化剂的设计第十一章工业催化剂的评价与宏观物性的测试第十二章催化剂表征的现代物理方法简介本课程基本内容教材
.
4
第一章 绪论
课程的主要任务 工业催化的发展简史 催化发展新领域 当前催化科学研究的重要方向
.
5
绪论
• 本课程的主要任务
掌握催化作用的基本规律，了解催化过程的化学 本质和熟悉工业催化技术的基本要求和特征，并能够 将新型催化剂开发原理运用到资源的化工利用、化学 制药、环境保护、生物工程技术、新材料和新能源等
②筛选出具有工业价值的熔铁催化剂。Karlsruhe大学当时宣布的催 化剂为锇（Os）和铀（U），既昂贵又不好操作。Haber的同事Mittasch经 过2500多种配方、6500多个实验筛选出高活性、高稳定性和长寿命的合成 氨熔铁催化剂（主要为Fe-Al-K多组元成分）。
《工业催化》第1章绪论34学时
需用八种不同催化剂
14
石油
15
煤
16
天然气
17
合成气
18
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
19
满足社会各方面需要
衣、食、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
（开发新产品）
V. 消除环境污染（环境保护）
25
§1.4
课程的主要内容及教学安排
工业催化的发展简史（第1章，1学时） 催化作用的基本原理（第2、3章，共5学时） 主 要 内 容 总学时： 34学时 各类催化剂及其催化作用（第4章，14学时） （包括 催化技术在能源环境方面的应用/新型催化材料/ 2~4学时 新的催化技术（第5~8章，选讲部份内容） 习题课 催化剂的设计、制备、使用及其活性评价与表征 及测验） （第9~12章，共10学时）
21
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 ……
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
1) 无机化学工业中的合成氨，硝酸硫酸的生产… 2) 有机化工原料中的甲醇、丁辛醇、乙酸和丙酮等的
生产… 3) 石油化工工业中催化裂化、催化重整等二次加工… 4) 煤化工中催化液化与气化… 5) 高分子化工中的三大合成材料的生产等… 6) 医药、农药领域的药物合成… 7) 生命活动领域的机体及微生物的生长… …… ——无不与催化剂相关！
工业催化
系统的催化研究始于19世纪初： Davy (1815)进行了催化燃烧实验； Berzelius (1836) 通过一系列化学实验，创造了“catalysis”一 词，给催化一个初步的定义。
2. 奠基时期（20世纪初- 20世纪30年代）
1913年德国巴登苯胺纯碱公司用磁铁矿为原料，经热熔法 并加入助剂以生产铁系氨合成催化剂。 此后，利用Pt将氨与空气氧化制氮氧化物（NO/NO2），最 终制得硝酸，用以生产化肥和炸药，大大促进了工农业生 产的发展。
1964年XZ-15微球分子筛在流化床中使用，将石油炼制工业 提高到一个新的水平。 1949年美国环球油品公司开发长周期运转半再生式的固定床 作业的铂重整技术，生产含铂和氧化铝的催化剂。
1953年用(C2H5)3Al-TiCl4作催化剂实现了低压合成聚乙烯， 以此为基础，推进了合成橡胶，合成纤维与合成树脂的发展。 上世纪50年代中期，美国联合碳化物公司首先生产X-型和Y型分子筛，1962年生产石油裂化用的小球分子筛。 4. 催化科学和技术发展—环境保护 1975年 环保领域应用开始发展 1974年 UOP 发明汽车尾气催化剂 1974年 Roland, Molina 发现氯对臭氧层的催化破坏 1980年代 SCR 过程应用 1983年 TS-1 烯烃 H2O2 环氧化 1990年代组合化学应用于催化剂开发 1992年Mobil发明中孔分子筛 MCM-41 1995年飞机使用臭氧催化转化装置净化空气
1923年F.费歇尔实现了以煤为原料，以钴为催化剂，通过 CO+H2合成反应制得烃类，即F-T合成(1923年德国科学家 Frans Fischer和 Hans Tropsch发明)。
3. 大发展时期（20世纪30～ 现在）
1936年F-T合成首先在德国实现工业化 。 1936年，E.J.胡德利开发成功经过酸处理的膨润土催化剂， 用于固定床石油催化裂化过程，生产辛烷值为80的汽油，这 是现代石油炼制工业的重大成就。 为获得生产梯恩梯炸药的芳烃原料，1939年美国标准油公司 开发了临氢重整技术，并生产所需的氧化铂-氧化铝、氧化铬 -氧化铝催化剂。
工业催化催化剂ppt
☆ 羧基加氢反应：-COOH → -CH2OH
铂族金属催化剂化工中的应用
铂（Pt）基催化剂用于一般的官能团和苯环加氢。特别是 氧化还原反应。 钯（Pd）基催化剂除用于催化加氢反应外，对偶联反应具 有催化作用。如：SUZUKI反应、Heck反应、Stille反应等。 钌（Ru）基催化剂对羰基还原及芳环加氢具有很高的催化 活性。 如：脂肪醛、脂肪酸加氢还原为脂肪醇，苯环、 杂环加氢等 氧化反应贵金属活性顺序：Pt＞Pd＞Rh 葡萄糖加氢贵金属活性顺序：Ru＞Rh＞Pd 一般加氢还原催化活性顺序： Pt＞Pd＞Rh 喹啉加氢反应的催化活性顺序：Ru﹥Pd﹥Pt﹥Ir
贵金属催化剂
定义 以单一或多种贵金属以不同价态构成主活性组分的催化剂。 构成
CeO2、 TiO2、ZrO2、 La等
单质：Pt、Pd、 Pt-Pd、Pd-Ru、
Ag…
氧化物：PtO2、
Rh2O3…
Al2O3、SiO2、
配合物
Pd（PPh3）3…
纳米碳纤维、 堇青石等
贵金属催化剂的特点
☆ 易吸附反应物，催化活性高 ☆ 生成热小，对氧和氢的结合力弱，脱附快
☆ 热稳定性好，适用温度范围大
☆ 化学稳定性高，不易被氧化还原，不易被腐蚀
☆ 具有多种催化活性（如光催化、电催化等）
贵金属催化剂的应用
目前贵金属催化剂主要应用于以下三个领域：
绿色化工催化生产
加氢还原反应、氧化反应、脱氢、催化重整等
环境保护领域
汽车尾气的催化、挥发性有机废气催化、有机废水处理等
能源领域
化学燃料电池等
贵金属催化剂化工中的应用
——铂族金属催化剂
铂（Pt）基催化剂——最早在化工中被开发应用的铂族 金属催化剂、应用最广的铂族金属催化剂 钯（Pd）基催化剂在催化加氢反应中应用最广 铑（Rh）基催化剂具有反应条件温和、反应选择性高 等特点 钌（Ru）基催化剂对特定的加氢反应具有较高的催化 活性 铱（Ir）基催化剂用于航天推进剂肼分解催化。
工业催化ppt课件
新能源开发
用于生产太阳能电池、燃料电 池等新能源材料。
制药行业
用于合成药物、生物催化剂等 生物医药产品的生产。
02
工业催化原理与技术
催化反应原理
催化反应定义
在催化剂的作用下，反应物之间 发生化学反应并生成产物的过程
。
催化反应特点
反应速率快、选择性高、能耗低、 副产物少。
催化反应机理
了解催化反应过程中，反应物如何 通过催化剂表面的吸附、活化、反 应和脱附等步骤转化为产物。
对设计的催化反应流程进行技术经济评估 ，确保其在工业生产中的可行性和经济效 益。
工业催化设备及其选型
确定设备参数
根据工艺要求和设备类型，确定设备的主 体尺寸、材质、压力、温度等参数，以确
保设备的性能和安全性。
A 确定设备类型
根据催化反应的类型和规模，选择 适合的工业催化设备，如固定床反 应器、流化床反应器、搅拌釜等。
工业催化实验方法与操作规程
实验方法选择
根据实验目的和要求，选择合适 的实验方法和操作规程，确保实 验结果的准确性和可靠性。
实验操作流程
按照实验步骤和要求进行操作， 注意实验细节和注意事项，避免 实验误差和安全事故。
数据处理与分析
对实验数据进行处理、分析和解 释，得出实验结论，为实际工业 生产提供指导和参考。
提高工业催化效率的途径与方法
优化催化剂设计
通过改进催化剂的组成和结构，提高其活性和选 择性，从而提高催化效率。
强化反应条件
优化反应温度、压力、浓度等条件，以降低能耗 和提高产物收率。
过程集成与优化
通过集成和优化催化反应过程，实现能源的高效 利用和废物的减量化。
THANKS
感谢观看
工业催化PPT教学课件
总成绩=期末考试成绩（50%）+平时成绩（20%）+论文（30%）
论文是一篇关于“催化在各自领域中的研究与应用现状”的综述性文章。
.
3
参考书目
（1）工业催化基础 —赵光 编 哈尔滨工程大学出版社 1999年 （2）应用催化基础 —吴越著 化学工业出版社 2008年 （3）Heterogeneous Catalysis In Industrial Practice Second Edition---Charles N. Satterfield, McGraw-Hill, Inc.(实用多相催化） （4）Heterogeneous Catalysis Principles and Applications-----G.C. Bond, Oxford Science publications
经过一段时间的沉寂，化学 工业从“重视产量”转向 “重视功能化”发展，将过去
大宗化学品生产过程中累积的技术与经验转 向应用和高性能的精细化工方向发展，很快 使化学工业出现了转机。
此阶段催化技术配合化学工 业出现了“择形催化”、 “手性催化”、环境友好的 “固体酸催化”等，以及用 于具有监控能力的“传感器 催化技术”、防治汽车污染 的“三效催化技术”等。
H2、 甲醇、. 二甲醚、 FT合成
硫制
聚烯烃 芳烃
1973年 金属有机 催化
12
化学工业的发展与催化剂的应用是密不可分的。
20世纪 30年代以前
20世纪 30~80年代
20世纪 80~90年代至今
属于当时尖端科技的 化学工业主要是天然 物质的直接利用
能量
代谢
.
8
自然界催化现象普遍存在（3）
植物的光合作用
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细精化工：指对基本化学工业生产的初级或次级化学品 进行深加工，特别具有特定功能，特定用途且附加值高 的化工产品的化工过程。涉汲到氧化反应，还原反应， 碳链增减反应，重排反应，杂环合成反应，不对称合成 工艺等。广泛使用酸碱催化剂，超强酸碱催化剂，分子 筛择形催化剂，金属化合物和配合物催化剂，手性催化 剂，相转移催化剂等。
等规聚丙烯
TiC l4-A l(C 2H 5)3
第二节 催化剂的重要应用领域
二十世纪工业催化的一些重大发明
工业化年份 过程或催化剂
产品或用途
1962
分子筛催化裂化 汽油
1964
烃类加氢脱硫
脱硫净化
1970 1976
甲醇低压合成 NOx 加氢还原
CH3OH 环境保护
1978
甲醇羰基化
醋酸
1986
特种立构合成
化工资源有效利用国家重点实验室
3
第一节 催化剂的基本知识
合成NH3反应途径：
第一节 催化剂的基本知识
反应机理和反应过程的能量如下：
Reactions at Surfaces: From Atoms to Complexity (Nobel Lecture) by Gerhard Ertl Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3524 – 3535
第一章：绪论
主要内容：
催化剂的基本知识；催化剂的重要应用领域；工业 催化的常用术语。
掌握催化剂的基本知识；了解催化剂的重要应用领 域；掌握工业催化的常用术语。
化工资源有效利用国家重点实验室
1
第一节 催化剂的基本知识
催化剂Байду номын сангаас催化作用：
何谓催化剂？先看一个例子：通常情况下，将N2分子和H2分子 混 合 在 一 个 惰 性 的 容 器 中 ， 即 使 在 500℃ 下 ， 也 几 乎 检 测 不 到 NH3的生成。虽然N2分子和H2分子化合生成NH3是一个热力学允 许的可逆放热反应：
（2）采用Fe作为催化剂时，N2分子和H2分子化合生成NH3的活 化能大大降低了（反应 途径发生了变化）。N2分子和H2分子首 先在Fe催化剂表面发生化学吸附，使得N2分子和H2分子的化学 键削弱，然后化学吸附的氮（Nad）和化学吸附的氢（Had）在 催化剂表面相互作用，并经过一系列的表面化学反应，最后生成 的NH3分子从催化剂表面脱附生成产物NH3，反应途径、反应机 理和反应过程的能量关系如下：
第一节 催化剂的基本知识
催化剂定义
1981年，国际纯粹和应用化学协会（IUPAC）对催化剂有一个明 确的定义。即：催化剂是一种物质，它能够改变化学反应的速率， 而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化；此过程称为催化作用， 涉及催化剂的反应称为催化反应。
化工资源有效利用国家重点实验室
6
第二节 催化剂的重要应用领域
V 2O 5 Fe 等 Pt S iO 2-A l2O 3 Cr 等
1938 1949 1953 1954
Ficher-Tropsch 合 成 石脑油催化重整 乙烯聚合 丙烯聚合
（ CO +H 2→ 烃 ）燃 料 Fe,Co,N i
高辛烷值汽油
P t/A l2O 3
高密度聚乙烯
TiC l4-A l(C 2H 5)3
N2+3H2 ⇌ NH3 ΔH500＝－109 kJ/mol
但如果在N2分子和H2分子混合气体的体系中有少量Fe存在，就 会有NH3生成，其中Fe就称为催化剂，对NH3的生成起着关键的 作用。
化工资源有效利用国家重点实验室
2
第一节 催化剂的基本知识
Fe的催化作用本质：
（1）没有催化剂，N2分子和H2分子化合生成NH3是一个均相的 化学反应过程，要经过N2分子的N－N键和H2分子的H－H键断 裂和N－H键的形成，N2分子和H2分子都非常稳定，经均相化学 反应合成NH3需要很大的能量，即反应的活化能很高（在500℃， 常压条件下活化能为334.6kJ/mol），在这种情况下，反应极慢， 以至于生成NH3的量甚微，常规方法都难以测出。
催化剂: 现代化学工业的基石
90％以上的化工产品是借助催化剂生产出的，没有催 化剂，就不可能建立现代化学工业。
如：
无机化学工业中的合成氨、硝酸、硫酸等的生产
石油加工中的催化裂化、催化重整等过程
石油化工中醇、醛、酸、酯的生产
三大合成高分子材料的生产
煤化工与天然气化工过程
生物化工中的酶催化过程
环保催化过程等
药物
1986
NOx 加氨还原
环境保护
1990
催化燃烧
环境保护
1990
茂金属催化聚合 新型聚烯烃
催化剂主要成分 沸石 CoO-MoO3/Al2O3 Cu-Zn/Al2O3 贵金属 RhI2(CO)2 络合催化剂 V2O5-TiO2 Pd,Pt,Rh/SiO2 茂锆等
第二节 催化剂的重要应用领域
石油炼制：指对不同沸程的石油馏分经催化转化成各种 燃料油，润滑基础油，化工原料的过程。这是催化剂最 重要的应用领域，使用的催化剂包括各种固体酸，分子 筛，负载型金属催化剂等；催化反应过程有催化裂化， 催化重整，催化加氢等；反应工艺有固定床、流化床、 提升管催化裂化、铂重整、连续移动床低压铂重整、常 压渣油催化裂化等。
石油化工：指一切以石油烃为原料生产各种化工产品的 催化过程，包括一些基本有机化工原料合成的催化过程， 所用的催化剂种类很多。一些重要的催化过程有：催化 加氢与脱氢；催化水合与脱水；烃类的异构和芳构；芳 烃烷基化，歧化及烷基转移；烯烃二聚及齐聚等。
化工资源有效利用国家重点实验室
10
第二节 催化剂的重要应用领域
化工资源有效利用国家重点实验室
7
第二节 催化剂的重要应用领域
二十世纪工业催化的一些重大发明
工业化年份 过程或催化剂
产品或用途
催化剂主要成分
1900 1913 1915 1936 1937
SO2 空气氧化 N2+H2→ 合 成 氨 NH3 氧化 石油催化裂化 乙烯聚合
H 2S O 4 NH3 HNO3 汽油等 低密度聚乙烯
合成材料：通常指合成树脂，合成纤维，合成橡胶这三 大合成材料
合成树脂--聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚酯等； 合成纤维--涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯）纤维、腈纶 （聚丙烯腈）纤维、维伦（聚乙烯醇）纤维等；
合成橡胶--丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶
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第二节 催化剂的重要应用领域
等规聚丙烯
TiC l4-A l(C 2H 5)3
第二节 催化剂的重要应用领域
二十世纪工业催化的一些重大发明
工业化年份 过程或催化剂
产品或用途
1962
分子筛催化裂化 汽油
1964
烃类加氢脱硫
脱硫净化
1970 1976
甲醇低压合成 NOx 加氢还原
CH3OH 环境保护
1978
甲醇羰基化
醋酸
1986
特种立构合成
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第一节 催化剂的基本知识
合成NH3反应途径：
第一节 催化剂的基本知识
反应机理和反应过程的能量如下：
Reactions at Surfaces: From Atoms to Complexity (Nobel Lecture) by Gerhard Ertl Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3524 – 3535
第一章：绪论
主要内容：
催化剂的基本知识；催化剂的重要应用领域；工业 催化的常用术语。
掌握催化剂的基本知识；了解催化剂的重要应用领 域；掌握工业催化的常用术语。
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第一节 催化剂的基本知识
催化剂Байду номын сангаас催化作用：
何谓催化剂？先看一个例子：通常情况下，将N2分子和H2分子 混 合 在 一 个 惰 性 的 容 器 中 ， 即 使 在 500℃ 下 ， 也 几 乎 检 测 不 到 NH3的生成。虽然N2分子和H2分子化合生成NH3是一个热力学允 许的可逆放热反应：
（2）采用Fe作为催化剂时，N2分子和H2分子化合生成NH3的活 化能大大降低了（反应 途径发生了变化）。N2分子和H2分子首 先在Fe催化剂表面发生化学吸附，使得N2分子和H2分子的化学 键削弱，然后化学吸附的氮（Nad）和化学吸附的氢（Had）在 催化剂表面相互作用，并经过一系列的表面化学反应，最后生成 的NH3分子从催化剂表面脱附生成产物NH3，反应途径、反应机 理和反应过程的能量关系如下：
第一节 催化剂的基本知识
催化剂定义
1981年，国际纯粹和应用化学协会（IUPAC）对催化剂有一个明 确的定义。即：催化剂是一种物质，它能够改变化学反应的速率， 而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化；此过程称为催化作用， 涉及催化剂的反应称为催化反应。
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第二节 催化剂的重要应用领域
V 2O 5 Fe 等 Pt S iO 2-A l2O 3 Cr 等
1938 1949 1953 1954
Ficher-Tropsch 合 成 石脑油催化重整 乙烯聚合 丙烯聚合
（ CO +H 2→ 烃 ）燃 料 Fe,Co,N i
高辛烷值汽油
P t/A l2O 3
高密度聚乙烯
TiC l4-A l(C 2H 5)3
N2+3H2 ⇌ NH3 ΔH500＝－109 kJ/mol
但如果在N2分子和H2分子混合气体的体系中有少量Fe存在，就 会有NH3生成，其中Fe就称为催化剂，对NH3的生成起着关键的 作用。
化工资源有效利用国家重点实验室
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第一节 催化剂的基本知识
Fe的催化作用本质：
（1）没有催化剂，N2分子和H2分子化合生成NH3是一个均相的 化学反应过程，要经过N2分子的N－N键和H2分子的H－H键断 裂和N－H键的形成，N2分子和H2分子都非常稳定，经均相化学 反应合成NH3需要很大的能量，即反应的活化能很高（在500℃， 常压条件下活化能为334.6kJ/mol），在这种情况下，反应极慢， 以至于生成NH3的量甚微，常规方法都难以测出。
催化剂: 现代化学工业的基石
90％以上的化工产品是借助催化剂生产出的，没有催 化剂，就不可能建立现代化学工业。
如：
无机化学工业中的合成氨、硝酸、硫酸等的生产
石油加工中的催化裂化、催化重整等过程
石油化工中醇、醛、酸、酯的生产
三大合成高分子材料的生产
煤化工与天然气化工过程
生物化工中的酶催化过程
环保催化过程等
药物
1986
NOx 加氨还原
环境保护
1990
催化燃烧
环境保护
1990
茂金属催化聚合 新型聚烯烃
催化剂主要成分 沸石 CoO-MoO3/Al2O3 Cu-Zn/Al2O3 贵金属 RhI2(CO)2 络合催化剂 V2O5-TiO2 Pd,Pt,Rh/SiO2 茂锆等
第二节 催化剂的重要应用领域
石油炼制：指对不同沸程的石油馏分经催化转化成各种 燃料油，润滑基础油，化工原料的过程。这是催化剂最 重要的应用领域，使用的催化剂包括各种固体酸，分子 筛，负载型金属催化剂等；催化反应过程有催化裂化， 催化重整，催化加氢等；反应工艺有固定床、流化床、 提升管催化裂化、铂重整、连续移动床低压铂重整、常 压渣油催化裂化等。
石油化工：指一切以石油烃为原料生产各种化工产品的 催化过程，包括一些基本有机化工原料合成的催化过程， 所用的催化剂种类很多。一些重要的催化过程有：催化 加氢与脱氢；催化水合与脱水；烃类的异构和芳构；芳 烃烷基化，歧化及烷基转移；烯烃二聚及齐聚等。
化工资源有效利用国家重点实验室
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第二节 催化剂的重要应用领域
化工资源有效利用国家重点实验室
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第二节 催化剂的重要应用领域
二十世纪工业催化的一些重大发明
工业化年份 过程或催化剂
产品或用途
催化剂主要成分
1900 1913 1915 1936 1937
SO2 空气氧化 N2+H2→ 合 成 氨 NH3 氧化 石油催化裂化 乙烯聚合
H 2S O 4 NH3 HNO3 汽油等 低密度聚乙烯
合成材料：通常指合成树脂，合成纤维，合成橡胶这三 大合成材料
合成树脂--聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚酯等； 合成纤维--涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯）纤维、腈纶 （聚丙烯腈）纤维、维伦（聚乙烯醇）纤维等；
合成橡胶--丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶
化工资源有效利用国家重点实验室
11
第二节 催化剂的重要应用领域