工业催化的的经典25题分析解析

1、什么是催化剂?
答：催化剂是一种物质，它能够加速反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs 自由焓变化。

催化剂将反应物转变为产物，在循环的最终步骤催化剂再回到其原始状态。

更简单地说，催化剂是一种加速化学反应，而在其过程中自身不被消耗掉的物质。

许多种类物质可用来作催化剂，包括金属、金属化合物(如金属氧化物、硫化物等)、有机金属络合物、酶或细胞等。

2、催化剂几个重要的性能指标。

答：根据催化作用、催化剂定义和特性分析知道催化剂有三个重要指标：活性、选择性和稳定性。

工业生产更多强调的是原料和能源的充分利用。

改进型的研究，一般是追求选择性，其次是稳定性，最后才是活性。

新催化剂及工艺的研究，则先追求高活性、高选择性，最后才是稳定性。

3、工业催化在现代化学工业中的作用。

答：现代化学工业的许多过程，都或多或少地与催化剂使用有关， 90％以上的化工产品，是借助催化剂生产出来的。

（1）无机化工领域的合成氨、硝酸、硫酸等的生产
（2）石油加工领域的催化裂化、催化重整等
（3）有机化工原料中的甲醇、醋酸、丙酮等的生产
（4）煤化工中的催化液化与气化
（5）高分子化工中的聚合物材料的生产等
（6）药物、精细化学品生产的大多数过程需催化剂参与；
（7）环境保护也需借助催化过程。

4、2007年诺贝尔化学奖。

答：（1）表彰德国马普弗利兹-哈伯研究所（Fritz-Haber-Institut ）Gerhard Ertl的固体表面化学的研究。

物质接触表面发生的化学反应对工业生产至关重要；研究成果有助于理解各种不同的过程；他的实验研究，为表面化学开创了
一种新的研究方法，即怎样用不同的实验步骤来描绘出一个完整的表面反应。

（2）Ertl开创了一种全新的实验学派，证明了在高难度的领域也可以得到可靠的结果，为现代表面化学研究奠定了基础。

他的方法论不仅仅被应用于学术研究，还包括化学过程相关产业的发展。

Ertl开发的氨合成方法不仅仅基于他对哈伯－博施法（Haber-Bosch process，用氢和氮来直接合成氨）的研究，他同时利用铁的表面作为催化剂。

这一成果带来了难以估量的经济效益。

Ertl还研究了一氧化碳在铂表面催化下的氧化反应，现在汽车中利用催化剂实现一氧化碳的清洁排放正是基于该项研究的成果。

5、工业催化研究目前注重的问题。

答：（1）催化技术的发展，除对传统石油化工不断更新改造外，在根治环境污染、开发新环境友好工艺催化技术将发挥关键作用。

（2）石油资源的短缺，以天然气和煤为基础C1化工是未来的发展趋势。

利用天然气生产合成液体燃料、替代液化石油气和车用柴油的二甲醚、经甲醇
合成乙烯和丙烯的MTO及MTP工艺已成为当今C1化工研究开发重点，而开发新型高效催化剂是关键。

（3）从长远发展看，生物催化、生物质资源的催化转化，是可持续发展的需要
6、催化剂的组成与功能
答：催化剂的组成：主催化剂-活性组分；助催化剂；载体
（1）主催化剂是催化剂的主要成分--活性组分，是起催化作用的根本性物质。

例如，合成氨催化剂Fe-K2O-Al2O3/C 中，无论有无K2O、Al2O3 ， Fe总是有催化作用的，只是活性较低，寿命较短。

如果没有Fe，催化剂就一点也活性没有，Fe是合成氨催化剂的活性组分。

有的主催化剂由2种或2种以上的活性组分共同组成。

如MoO3-Al2O3, WO3-ZrO2等。

助催化剂
（2）助催化剂是加到催化剂中的少量物质（<5~10%) ，是催化剂的辅助成分，
本身没有催化活性或活性很小。

可以改变催化剂的化学组成、结构、价态、酸碱性、分散度等具有提高主催化剂的活性、选择性，稳定性和寿命。

助催化剂的种类：结构性助催化剂和电子型助催化剂
①结构性助催化剂:结构性助催化剂的作用主要是提高活性组分的分散性和热稳定性。

通过加入这种助催化剂，使活性组分的细小晶粒间隔开来，不易烧结；也可以与活性组分形成固熔体而达到热稳定，提高活性。

能起结构稳定作用的助催化剂，多为熔点较高、难还原的金属氧化物。

如氨合成用的Fe催化剂，通过加入少量的Al2O3。

使其活性、和寿命大大延长。

原因是Al2O3与活性Fe形成了固熔体，有效阻止了Fe的烧结。

②电子型助催化剂:电子型助催化剂：作用是调整催化剂主要活性组分的电子结构、表面性质或晶形结构，从而提高催化剂的活性和选择性。

研究表明，金属的催化活性与其表面电子的授受能力有关。

具有空成键轨道的金属，对电子有强的吸引力，而吸附能力的强弱和催化活性紧密相连的。

如氨合成用的铁催化剂中，Fe有空的d轨道，可以接受电子，在Fe-Al2O3中加入K2O后， K2O把电子传给Fe，使Fe原子的电子密度增加，提高其活性，所以K2O 是电子型的助催化剂。

电子型助催化剂能使催化反应活化能降低。

其作用是改变主催化剂的电子状态，提高催化性能。

如氨合成中用的钌-活性炭-碱金属催化剂中的碱金属便是一种电子助催化剂。

实验证明，钌负载活性炭，对氨合成的活性很低，添加能给电子的碱金属后活性剧烈增加，而且给电子能力越强，活性越高。

(3) 载体:载体是催化剂活性组分的分散剂、支撑体，是负载活性组分的骨架。

将活性组分、助催化剂负载于载体上所制得的催化剂，称为负载型催化剂。

载体有天然的和人工合成的，可划分为低比表面和高比表面两大类。

载体关系到催化剂的活性、选择性、热稳定性、机械强度，也关系到催化过程的传质特性。

载体的功能
①提供有效的表面和合适的孔结构；
②增强催化剂的机械强度；
③改善催化剂的热稳定性；
④减少活性组分的含量；
①提供附加的活性中心；
⑥与活性组分之间的溢流现象和强相互作用。

理想的催化剂载体应具备下列条件 :
①具有能适合反应过程的形状和大小；
②有足够的机械强度，能经受反应过程中机械或热的冲击；有足够的抗
拉强度，以抵抗催化剂使用过程中逐渐沉积在细孔里的副反应产物〔如积碳〕或污物而引起的破裂作用；
③有足够的比表面，合适的孔结构和吸水率，以便在其表面能均匀地负
载活性组分和助催化剂，满足催化反应的需要；
④有足够的稳定性以抵抗活性组分、反应物及产物的化学侵蚀，并能经
受催化剂的再生处理；
⑤能耐热，并具有合适的导热系数；
⑥不含可使催化剂中毒或副反应增加的物质
⑦原料易得，制备方便，在制备载体以及制备成催化剂时不会造成环境
污染；
⑧能与活性组分发生有益的化学作用；
⑨ 能阻止催化剂失活；
7、多相催化反应步骤。

答：多相催化反应包括五个连续的步骤：
(1)反应物分子从气流中向催化剂表面和孔内扩散；
(2)反应物分子在催化剂表面上吸附；
(3)吸附的反应物分子在催化剂表面上相互作用或与气相分子作用进行化学反应；
(4)反应产物自催化剂内表面脱附；
(5)反应产物离开催化剂表面向催化剂周围的介质扩散。

上述步骤中的第(1)和(5)为反应物、产物的扩散过程。

(2)、 (3) 、(4)三步属于表面进行的化学过程。

8、物理吸附和化学吸附的比较.
物理吸附化学吸附
吸附力范德华力化学键力
吸附热较小(～液化热) 较大
选择性无选择性有选择性
稳定性不稳定,易解吸稳定
分子层单分子层或多分子层单分子层
吸附速率较快, 受温度影响小较慢，受温度影响大
9、表面反应与化学吸附的关系。

答：化学吸附的表面物种，在二维的吸附层中，只要温度足够高，就成为化学活性物种，在固体表面迁移。

当化学吸附的活性物种在表面接触时，当表面的几何构型和能量适宜时，就会进行表面化学反应。

表面反应的进行，要求表面活化物种的化学吸附强度要适当。

吸附太强，形成较稳定表面络合物，不利于表面活化物种的表面迁移、接触；吸附太弱，则会在进行反应之前脱附流失。

10、B（BrÖnsted）酸和L(Lewis)酸的概念
答：凡是能给出质子的物质称为B酸
NH3 十H3O＋（ B酸）＝NH4＋十H2O
凡是能接受电子对的物质称为L酸
BF3 （ L酸）十：NH3 F3B：NH3
固体酸：凡能化学吸附碱性物质的固体。

按BrÖnsted和Lewis的定义：能给出质子或者接受电子对的固体称之为固体酸。

11、固体酸的类型
答：1 、天然粘土类：高岭土、膨润土、蒙脱土、天然沸石等，主要组分为氧化
硅和氧化铝；
2、浸润类：液体酸(H2SO4 、H3PO4)负载在相应的载体（氧化硅和氧化铝）
上；
3、阳离子交换树脂
4、金属氧化物或复合氧化物：如ZrO
2, WO
3
MoO
3
, WO
3
-ZrO
2
, MoO
3
-ZrO
2
, 杂
多酸、合成分子筛等
5、金属盐：NiSO
4, AlPO
4
，AlCl
3
12、红外光谱法(Infrared spectroscopic method)-固体表面酸中心类型鉴定方法。

答：碱性分子在固体表面上吸附的红外光谱法是一种表征固体表面酸中心特征的方法，该方法非常灵敏，提供的证据直接可靠；
碱性探针分子在固体表面上吸附，碱性分子在B酸中心吸附形成离子键；在L酸中心吸附形成配位键。

红外光谱可以灵敏、可靠的区分由于吸附形成的离子键和配位键。

碱性探针分子通常选择NH3或吡啶分子。

由于NH3、吡啶分子的碱性较强，可以在很弱的酸中心产生吸附，对于强酸中心具有更好的选择性。

13、分子筛。

答：一类具有均匀孔隙（道）结构的结晶性材料。

孔道尺寸与分子直径大小相当，能在分子水平上筛分物质，又称为分子筛。

分子筛结构中含有大量的结晶H2O分子，加热时可汽化除去，分子筛又称为沸石。

通常自然界存在的常称为沸石，人工合成的常称为分子筛，有时也称为沸石分子筛。

14、Z SM型分子筛。

答：ZSM (zeolites Synthesized by Mobil )
这种分子筛有一个系列，广泛应用的为ZSM-5，与之结构相同的有ZSM-8和ZSM-11等。

ZSM-5常称为高硅型分子筛，其硅铝比可高达50以上， ZSM-8可高达100 。

这组分子筛还具有憎水的特性。

ZSM-5晶胞组成：NanAln ∙Si98-n ∙O192 ∙16H2O，
式中n 是晶胞中铝的原于数，可以从0～27，典型为3左右。

属于高硅型分子筛还有全硅型的Silicalite-1，结构与ZSM-5 一样； Silicalite-2的结构与ZSM-11 一样。

ZSM 型分子筛结构特征：
ZSM 型分子筛结构单元与丝光沸石相似，由成对的五元环组成，无笼状空腔，
只有通道。

ZSM-5有两组交叉的
通道，一种为直通道，窗口呈椭
园形（短轴～ 0.54nm ，长轴～
0.7nm ），另一种为之字形呈园形
通道，其窗口孔径约为0.55nm 。

15、 （A ）分子筛表面OH 基酸位中心形成。

答：合成的NaY 型分子筛在NH
4Cl 溶液
中进行离子交换NaY+NH 4Cl →NH 4Y+NaCl
加热脱氨即可变成HY 分子筛NH 4Y →
HY+NH 3，氨的逸出后在骨架中的铝氧四
面体上就留下一个质子酸，这是B 酸的
来源。

分子筛表面L 酸中心的形成如图：
16、分子筛的催化作用。

答：酸催化作用：分子筛经过质子交换处理后，表面具有丰富的质子酸位，是一种固体酸，它在许多酸催化反应中，能够提供很高的催化活性；
择形选择性：又由于分子筛具有分子直径相当的孔道结构，而形成了特殊的形状选择性，在炼油和石油化工领域得到了广泛的应用。

例如，催化裂化、异构化、重整等反应。

双功能催化作用：负载金属（Pt,Pd 等)的分子筛具有双功能催化作用，金属的
作用是催化加氢与脱氢反应，分子筛的作用是提供酸性位。

氧化作用：具有MFI 结构的钛硅分子筛（TS-1）是性能优良的选择氧化催化剂。

17、金属催化剂的类型。

答:金属催化剂是一类重要的工业催化剂，主要类型有：
a)块状金属催化剂：如电解银、熔铁、铂网等催化剂；
b)负载型金属催化剂：如Ni/Al2O3，Pd/C等催化剂；
c)合金催化剂：指活性组分是二种或两种以上金属原子组成，如Ni-Cu合
金加氢催化剂、LaNi5加氢催化剂；
d)金属簇状物催化剂：如Fe3(CO)12催化剂等。

18、金属催化剂可催化的反应类型。

答：主要有：加氢反应：Ni、Pt上，烯烃、苯加氢饱和等；
氧化反应：Ag, Au, Pt上，甲醇氧化制甲醛；烯烃环氧化等；
重整反应：负载型的Pt, Pt-Re 上，烷基异构化；环化脱氢；加氢裂化等
氢醛化反应：Fe3(CO)12催化剂烯烃氢醛化反应制醇等
19、金属催化剂电子因素和几何因素。

答：过渡金属的化学性质与原子的d轨道紧密联系着，电子因素（化学键特性）金属的催化作用与金属表面的几何构造（晶体结构、取向、缺陷、颗粒大小、分散度等）密切相关几何因素
20、过渡金属元素的电子组态特点。

答:铜原子价层电子组态：[Cu](3d10)(4S1);镍原子价层电子组态：[Ni](3d8)(4S2)
过渡金属原子电子组态特点：最外层有1~2个S电子，次外层有1~10个d 电子。

Pd 的最外层无S 电子，除Pd外这些元素的最外层或次外层没有填满电子、特
别是次外层d 电子层没有填满。

21、 d 空穴与化学吸附的关系。

答：d 带空穴愈多，末配对的d 电子愈多，对反应分子的化学吸附也愈强。

有d 带空穴，就能与被吸附的气体分子形成化学吸附键，生成表面中间物种，具有催化性能。

对于Pd 和IB 族(Cu 、Ag 、Au)元素d 轨道是填满的，但相邻的S 轨道上没有填满电子。

在外界条件影响下，如升高温度时d 电子可跃迁到S 轨道上，从而形成d 空穴，产生化学吸附
22、 金属-载体间的相互作用(有三种类型)
答：第一类相互作用
金属颗粒和载体接触位置处在界面部位处，
分散的金属可保持阳离子的性质。

第二类相互作用
分散的金属原子溶于氧化物载体晶格中或
生成混合氧化物。

第三类相互作用
金属颗粒表面被来自载体氧化物涂饰。

涂饰物种可以和载体相同，也可以是部分
还原态的载体。

金属氧化物在金属颗粒上
的涂饰，改变了金属与金属氧化物接触部
位上金属离子的电子性质，可能在有金属氧
化物粘敷的金属颗粒表面的接缝处产生新的催化中心。

23、 溢流(spillover)现象。

答：溢流(spillover)是 催化反应中一种特殊的现象。

溢流定义：一定条件下，在一种固体表面形成的活性物种，不经脱附过程，向同样条件下不能直接形
成该活性物种的另一种固相表面上的转移。

24、光催化反应原理。

答：半导体粒子具有能带结构：
a)由填满电子的低能价带和空的高能导带构成，
b)价带和导带之间存在禁带，禁带宽度为Eg 。

当半导体受到能量等于或大于禁带宽度(Eg)的光照射时,价带上的电子可被激发跃迁到导带，同时，在价带产生相应的空穴，这样就在半导体内部生成电子(e-)-空穴( h+ )对
25、光催化作用的类型。

答：反应物分子首先吸收一定能量的光而被激活后，再在催化剂的作用下生成产物。

这类光催化反应可表示为：
反应物 + hν→活化的反应物
活化的反应物 + 催化剂→反应中间物→反应产物 +催化剂
这类反应又叫催化的光反应（catalyzed photoreaction)。

催化剂首先吸收一定能量的光被激活，激活的催化剂再同反应物分子作用而得到产物。

这类光催化反应可表示为：
催化剂+ hν→活化的催化剂
活化的催化剂 + 反应物→反应中间物→反应产物 +催化剂
这类反应又叫敏化的光反应（sensitized photoreaction)
催化剂与反应物分子之间由于强相互作用而形成配合物，配合物吸收一定能量的光再生成产物并将催化剂分离出来。

这类光催化反应可表示为：
催化剂 + 反应物→配合物
配合物+ hν→反应中间物→反应产物 +催化剂
这类光催化反应常以金属有机化合物为催化剂，常以均相催化过程进行。