催化作用原理(第一、二章)讲解

催化作用原理

《催化作用基础》

课程名称：《催化作用基础》或《催化作用原理》或《催化剂与催化作用》绪论

第一章催化剂与催化作用的基本知识

第二章催化剂的吸附、表面积和孔结构

第三章金属催化剂及其催化作用

第四章半导体催化剂及其催化作用

第五章酸碱催化剂及其催化作用

第六章配位络合物催化剂及其催化作用

第七章催化剂的评价及失活与再生

第八章催化剂的设计和制备

专题讲座： 1. 择形催化与高选择性催化分子筛材料

2. 芳胺N-烷基化反应及其催化剂研究

3. 钛硅（TS-1）分子筛的合成及催化应用

4. 催化新材料：MCM-41等

#现代物理测试手段与催化剂的表征：

XRD，SEM，IR，NMR，UV-Vis，UV-Raman，NH3-TPD等

——催化剂及其催化作用的基础研究

参考书目

1.王桂茹主编，王祥生审，

《催化剂与催化作用》,2000年8月第1版大连理工大学出版社出版[王桂茹，李书纹编（大连工学院石油化工教研室）（讲义） 1986年] 2.吉林大学化学系《催化作用基础》编写组编，

《催化作用基础》 1980年科学出版社出版

3.黄开辉，万惠霖编（厦门大学化学系），

《催化原理》 1983年科学出版社出版

4.顾伯锷，吴震霄编，

《工业催化过程导论》 1990年高等教育出版社出版

5.王文兴编，

《工业催化》 1982年化学工业出版社出版

6.闵恩泽著，《工业催化剂的研制与开发——我的实践与探索》，

1997年中国石化出版社出版

7.陈连璋编著，

《沸石分子筛催化》 1990年大连理工大学出版社出版

8.徐如人，庞文琴，屠昆岗等著，

《沸石分子筛的结构与合成》1987年吉林大学出版社出版

9.天津大学编，〈〈多相催化作用原理〉〉

10.高滋主编，何鸣元，戴逸云副主编，《沸石催化与分离技术》，中国石化出版

社，1999年11月第1版；

* 讲述内容；学习方法：学什么？怎么学？

绪论

一.催化剂与催化作用的重要性

1.使用催化剂的工业部门

现代化学工业、石油炼制、石油化学工业、食品工业、环境保护等

2.没有现代催化科学的发展和催化剂的广泛使用就没有现代化的化学工业。

催化过程构成了现代的化学工业，催化过程在化工生产约占90%。

催化过程与人们吃、穿、住、用的物资生产过程密切相关。

例如：合成氨—— Fe催化剂

聚乙烯、聚丙烯——齐格-勒塔催化剂

3.环境和能源问题是全球性的问题

环境问题：

NOx的脱除——SCR催化剂

SO2的脱除：SO2—SO3，V2O5催化剂

在美国，设“绿色化学”的总统奖。

能源问题：燃料电池——需要用催化剂（大化所在研究）

CH3OH——汽油；

费托合成

2（CO + H2）——二甲醚

甲醇——二甲醚

4.新催化剂技术和新催化过程是我国优先发展的科学技术之一。

在美国一直列为关键技术。

新催化过程和催化技术将为化学工业带来新前景。

5.资源的利用：甲烷芳构化制芳烃；

渣油的炼制：

二.催化科学发展的回顾

1.古代的生物催化过程：a）烤面包时发面的调配；

b）葡萄汁发酵制酒；

c）酒酸化制醋；

2.十七世纪初，Daxy 用铂黑使乙醇氧化；

用硫酸催化乙醇脱水可得乙醚。

3.十八世纪，M.克列曼和X.吉若尔母首先研究铅式法合成硫酸机理。

4.十九世纪末，Sabatier用Ni作加氢催化剂：乙烯加氢可得乙烷

苯加氢得到环己烷。

Fe、Co、Ni之类的过渡金属开始被用作有机合成催化剂，并且使用范围日益扩大。

为了有效地扩大催化剂的使用，科学家们除着手研究催化剂的组成、制备、反应活性与反应条件之间的关系外，还进一步探讨了反应机理。

1794年M.Fullrame提出了“中间化合物理论”，后来经过很多人的工作（例如克列曼、门捷列夫、安培尔等）于二十世纪初获得广泛承认。

随着催化科学的发展，二十世纪初，著名的催化过程合成

氨被Nernst和Haber实现，这不仅完成了一项人工氮循环过程，而且给理论工作提供了一个典型的反应过程。

接着Bodenstein对SO2氧化成SO3做了一系列理论工作，在此遇到了许多多相催化问题，推动了物理理论中研究较多的吸附理论的研究。1916年Langmuir提出了单分子层的多相吸附平衡理论。这一理论至今仍被应用。

Langmuir和锐基尔认为在多相催化中，由于反应物与催化剂产生化学吸附，使反应物分子活化容易进行反应。即明确提出了化学吸附的概念。

Taylor对表面的不均匀性提出了活性中心学说，他和焦母金认为并不是催化剂的全部表面都有活性，而只有被称为活性中心的某些部位才有活性，这些活性中心可能是结晶的顶点、棱边或晶面，或者催化剂中的某些破损和缺陷。

活性中心理论较好地说明了催化剂制备及中毒对催化作用的影响。

活性中心理论在巴兰金的多位理论和柯巴捷夫的活性集团理论中得到进一步发展。

1929年巴兰金认为催化活性中心可视为催化剂的结晶格子，它的几何尺寸与反应物分子的结构和几何尺寸相对应，此外还要考虑能

量的对应，只有交好的对应才能使反应得以进行，这一理论解释了催化剂结构对催化作用的影响，还预言了某些新催化剂。

1939年柯巴捷夫把未形成结晶的非晶相中几个催化剂原子看作是催化活性中心，同样认为是价不饱和的原子集团，从而解释了选择性。

物理理论论述了化学理论所不能解释的问题，但在催化过程中发现一些催化现象与催化剂的电性、磁性有关，于是出现了电子理论。Nyvop和POTUHCKUU从电子因素来说明催化活性，Schwood做了磁性对活性的关联工作，Pouling从核间距、原子结构解释了过渡金属dsp 杂化轨道d-特性%与催化活性的关系。催化作用原理更加发展。

此外谢苗洛夫对自由基反应提出了链锁理论，他认为不仅在催化表面生成自由基，而且自由基可能到空间，按链锁机理继续进行反应。

由此可见：催化科学伴随着科学技术的发展在发展。

尽管已提出的催化理论都有合理的内涵，但又都有其不足之处，其中两条是公认的。

1.催化作用发生必须有催化剂与反应物之间的化学作用；

2.催化剂表面活性中心的存在，及其结构、性质将决定催化作用的进行。