工业催化剂开发与设计原理第二章 催化作用模式111

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忾……
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辛烷值100的燃料起了重要作用,比起1940.5法国战役中 所用的辛烷值87的燃料,它使英军飞机爆发加速能力提 高50%。用同样的飞机,但采用新燃料,使英国的飞机飞 得更高、更机动、更快! 对这个胜利做出不朽贡献的新燃料,正是美国环球油品公 司(UOP)发现和开发的硫酸催化剂所生产的烷基化汽油。 硫酸催化剂已部分被HF取代作为汽油烷基化催化剂。
Ⅰ、一个分子在催化剂表面上的活化要比气相靠
热能活化容易的多。
Ead=21 kJ/mol,解离能DH-H= 434 kJ/mol, 两者相差近20倍。 这一规律具有普遍性。 Ⅱ、Edes=QC+Ead 在H2-Cu吸附体系中,Edes=55 kJ/mol, QC=34 kJ/mol,Ead=21 kJ/mol
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出现H 在Fe上的化学吸附为吸热。
4、吸附平衡是动态平衡 从微观的角度来看待吸附过程,就有: V吸= V脱 , 即 吸附与脱附过程是在不断进行着,只是它们的
速率相等。
5、化学吸附与物理吸附
物理吸附:吸附质是靠它与吸附剂之间的
V.D.W.等物理力相互作用而吸附于吸附剂 上,这种现象就为物理吸附。 the adsorption energy is typically 5-10 kJ/mol.
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• 化学吸附:吸附质是靠它与吸附剂表面 上吸附中心的剩余自由价相互作用形成 一定程度的化学键而吸附于吸附剂上, 这种现象就为化学吸附。
The chemisorption energy is 30-70 kJ/mol for molecules and 100400 kJ/mol for atoms.
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即:QC+Ead=34+21=55 kJ/mol=Edes
Ⅲ、QC>>Qp,在一般的情况下,表面反应动 力学过程的势能图中不画出物理吸附势能 曲线部分
Ⅳ、QC↑,Edes↑,脱附越困难,表面吸附配
合物越稳定,吸附质参与反应的性能就越 差。
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H2在Ni金属表面 上的吸附势能曲线
维吸附模型,在这个吸附 体系中,体系的能量是分 子与表面距离的函数,即:
E = E(d)
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(1)、物理吸附
当R(A-S)= Rp时,ER(P) 最小,出现了最稳定的物理吸附状 态,此时所释放的能量就为物理吸附热Qp, 一般Rp > 0.3 nm 。 当R(A-S)<Rp时,ER(A-S)能量迅速增大,物理吸附体系不稳 定,要么出现物理吸附的脱附,要么出现物理吸附转化为化
在催化剂表面上分子键断裂的化学吸附是常见 的一类吸附。在这种情形中,势能曲线就比前两种 要复杂。以H2在Cu表面上的吸附为例。 实现H2在Cu催化剂表面上产生的化学吸附,有 两种方法: (a)气相将H2──→H + H,H再吸附于Cu催化 剂表面上。 (b)在有一定外来能量的条件下由物理吸附
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吸附物在吸附剂上的吸附所产生的热效应。 • 表面吸附常常是放热的,这是吸附的必然结果 因为,吸附物在吸附剂上的吸附过程都是 自发过程,即: 自由能 ΔG吸<0 而 ΔG吸=ΔH吸—TΔS吸 即 ΔH吸—TΔS吸<0 所以 ΔH吸<TΔS吸
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换句话说,若ΔS吸为负值,则ΔH吸也必 为负值。此时,吸附为放热过程。
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X点就为H2在Cu表面上是否发生化学吸附的关 键点,与初始体系能量差为:ER(X)-ER(H-Cu)= Ead,称之为化学吸附活化能。 对H2与Cu的体系,Ead=21kJ/mol。
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当RH-Cu = RC时,体系的能量EC最小,所释放出的能量 为化学吸附热:QC= Qad = ER(C)-E初 = 34 kJ/mol 。 当吸附的H从Cu表面上脱附时,沿MCXPA曲线进行。 此时,需要经过X点,吸附的H 才能以H2形式脱附。由C点至 X点所需的能量:ER(X)-ER(C)=Edes,称之为脱附活化能,
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石油化工: 石油化工是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。 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。
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精细化工: 精细化工是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。
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如:在适当的温度下,H2在Fe上的吸附: H2+Fe(受S污染)──→
H
S
H Fe
Fe
H2分子被解离为两个氢原子,且可在Fe表面上 作二维自由运动。 被吸附的氢原子的自由度 = 2(二维运动)+ 2(振动)= 4
两个氢原子的自由度= 4×2 = 8
氢分子= 3(三维运动)+ 3(振动+转动)= 6 所以: ΔS吸>0
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6、物理吸附,化学吸附与催化
(1)、物理吸附与催化 I、物理吸附不能活化反应物 II、用物理吸附来测定催化剂的物理性质, 如表面积,孔体积,孔径大小及其分布等。 (2)、化学吸附与催化 化学吸附的结果松动了分子内部的化学 键,或是完全破裂分子内部的化学键,如
H H
H2+2Pt──→
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Pt
Pt
• 化学吸附在催化中的作用有下面几点:
I、化学吸附具有选择性─催化作用具有选 择性。 II、化学吸附松动和破裂分子内键─活化反
应物。
III、化学吸附用于研究催化剂的活性表面积。
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IV、化学吸附对反应物分子化学键的起作用的 同时,也影响着吸附剂的电传导性和磁性能。
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由于H2的热运动所致,它可进一步接近Cu表面,即RHCu<RP,此时体系能量EH-Cu逐渐上升,H2在Cu表面上的物 理吸附不稳定。 当RH-Cu = RJ时,体系能量与初始体系的能量一致,H2 在Cu表面上不产生物理吸附。
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当H2进一步接近Cu表面时,即RH-Cu<RJ,ER(H-Cu)>
上述的物理吸附+分子型化学吸附的完整势 能曲线为:
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吸附能为E(ads) ,该吸附体系中,吸附物 无需活化能,就可转为化学吸附 。
该吸附体系仍存在脱附活化能Eades ,
Eades = E (ads) or
Eades = -H (ads)
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(3)、物理吸附+分子键断裂的化学吸附
E初。 当到达X点时,即物理吸附势能曲线与热裂解H化学
吸附势能曲线的相交点。在此点,H2与Cu活性中心可形成
化学吸附的过渡态.
H H Cu Cu
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此过渡态可出现两种情形:
情形Ⅰ: 沿XCM曲线使体系能量降低,直至 H2解离为H原子化学吸附状态 H-Cu。 情形Ⅱ:沿LXP曲线,使体系能量增高,直至 H2脱附。
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2H—Pt+2O—Pt──→H2O—Pt+Pt H2O—Pt──→H2O+Pt
2、势能曲线(potential energy curve)描述
吸附势能(或位能)曲线(或称势能图,
位能图)是指吸附物在吸附剂表面上发生吸附 或脱附时,吸附体系的能量(势能)随吸附物 与吸附剂表面间的距离(d)而变化的曲线。 左图为简单的单分子一
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例子:
金属催化剂: 利用探针分子CO, H2等化学吸附观察金属的分散状态。 与TPD结合,给出活性中心数目、能量上的差别、金属在 载体上的分散状态。
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2.2.2 表面化学吸附键
1、术语
• • • 吸附:气体或液体在固体表面上,或气体在液体表面上 的富集过程 ,这种现象也称之为吸附现象 脱附:吸附的逆过程 固体表面层:与吸附物产生相互作用的表面层,一般只 有几个原子层厚度。
分析吸附质与吸附剂之间的相互作用程
度,可通过分析观测吸附质分子内部化学键和 吸附量的变化,吸附剂电传导性能及磁性能的 变化。若与催化性能相关联,可获得最佳催化 剂的组成与结构。
化学吸附是催化理论中的基础理论
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§2、吸附过程的描述
1、机理描述
用基元步骤表示吸附过程的描述,称为机理
描述。 如:2 H2+O2──→2 H2O 在Pt催化剂上 低温下发生的反应。首先进行的是H2和O2在Pt催 化剂活性中心上发生吸附,机理为: H2+2Pt──→2H—Pt O2+2Pt──→2O—Pt
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O2在金属表面 上的吸附势能曲 线
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3、化学吸附势能曲线的几种情况
⑴、非活化吸附
反应物分子由物理吸附不需活化能而直接进
入化学吸附状态,称之为非活化吸附,否则为活 化吸附。 如:O2在Pt、Ni、Cu、Ti等金属上的吸附就 为非活化吸附。
• 吸附物在吸附剂表面上形成了一个更为有序的体 系,吸附物分子的自由度数必然减少,所以ΔS吸<0 是这种吸附的必然结果,即ΔH吸<0。
• 对物理吸附来说,被吸附的分子一定不发生解离, 物理吸附一定是放热的。
• 对化学吸附来说,被吸附的分子会有两种情况:解 离与不解离。 不解离的化学吸附,有ΔS吸<0,吸附过程一定 是放热的解离化学吸附,可能有ΔS吸<0或ΔS吸>0,这 样,吸附过程就可能为吸热的,也可能是放热的。
催化剂反应过程要有催化裂化,催化重整,催化加 氢处理等。化工反应工艺则有固定床、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。
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实际应用:不列颠之战:催化剂代表胜利!
德国纳粹在1940年空袭 英国人口密集大都市, 使英国损失惨重,但也
激起了英国人民同仇敌
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。
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2.2 催化作用的前奏——化学吸附
2.2.1 活性部位 了解正确的表面活性中心类型、迁移和扩散过程、体相 的热传导和电子传递性能。 化学吸附实验是传统有效的表征方法(稳态法、动态法 TPD)。
原位红外技术:确定表面活性部位、动态吸附过程。酸 中心、碱中心,酸类型(Brönsted acid, Lewis acid), 酸强度及分布,酸量。
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2、术语

吸附物:流体中能被吸附的物质,也称吸附质。
• 吸附态:吸附质在表面吸附后的状态。 • 吸附剂:能起吸附作用的物质。 • 吸附中心:吸附是发生在吸附剂表面上的局部位置 • 表面吸附络合物:指得是吸附中心与吸附质共同构成的结合体。
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3、吸附热效应
第二章 催化作用模式及 相关基本原则
第二章 催化作用模式及相关基本原则
2.1 催化作用基础 2.2 催化作用的前奏——化学吸附
2.3 多相催化作用模式
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2.1 催化作用基础
工业催化在国计民生中的作用 石油炼制:
石油炼制是指对不同沸点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。
转化为化学吸附。
(a)在气相条件下,H2──→H + H,H再吸附于 Cu催化剂表面上
DH-H≈434kJ/mol ,
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QC= Qad = ER(C)-E初=34kJ/mol
(b)在有一定外来能量的条件下由物理吸附转 化为化学吸附
首先,H2分子由远而近,接触Cu催化剂表面, 产生物理吸附。
26-Dec-16 学吸附。
(2)、物理吸附+分子型化学吸附
当R(A-S)<Rp时,ER(A-S)能量逐渐增大,到达X点时,体系 极不稳定,要么出现物理吸附的脱附,要么出现物理吸附转
化为化学吸附。如果,此时A2能与吸附中心产生化学作用,
则: R(A-S)<Rx时,ER(A-S)能量逐渐减小,直至发生稳定的化 26-Dec-16 学吸附。
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上述的物理吸附+分子键断裂的化学吸附的完整 势能曲线为:
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由于物理吸附热相对于化学吸附热是很小的, 一般在化学吸附势能曲线中不画出,如下图:
这条势能曲线也可表示吸附物不需经过物理吸附 过程,而直接进行化学吸附时体系的势能变化。
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从H2在Cu表面上发生化学吸附时体系的势能 曲线中,可看到以下几点:
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