绿色化工与绿色环保-绿色化工无毒无害催化剂

一、催化剂也可称为“分子机器 ”
高选择性的金属纳米催化剂的理性设计
一、催化剂也可称为“分子机器 ”
本文通过合成一种Si, N共掺杂的碳纳米材料作为CO2分解的双功能催化剂，在 中性条件下表现出了高效的光化学效率。这一重要研究成果为实现低成本的无
金属催化剂用于高效人工光合作用，补充自然碳循环提供了机会
⑵ cAS
cAG ⑶
⑷ ⑸
⑹
⑺
B
A （g）
B（g）
二、气固相催化反应过程
速率控制步骤
气固相催化反应过程是一个多步骤过程，如果其中某 一步骤的速率与其他各步的速率相比要慢，以至整个 反应速率取决于这一步的速率，该步骤称为速率控制 步骤
当反应达到定态时，各步骤的速率应该相等，且反 应过程的速率等于控制步骤的速率。
g、反应产物从催化剂外表面向流体主体传递（外扩散过程）
Overall progression of heterogeneously catalysed reaction
Reaction steps
1. External film diffusion 2. Internal pore diffusion 3. Adsorption on active sites
向较为又有效的方法。
一、什么是催化剂？
能加快反应速率，而本身的组成、质量和化学性质 ，在反应前后均不发生变化的物质叫做催化剂。
一、什么是催化剂？
二、催化的分类
1、生物催化（酶催化） 2、均/匀相催化 3、多相催化
二、催化的分类
二、催化的分类
化学催化分为均相催化和非均相催化，
当催化剂与反应物处于同一相，没有相界面存在时，其催化系统称 为均相催化； 当催化剂与反应物处于不同相中，催化反应在相界面进行的催化称 为非均相催化（或多相催化）， 在非均相催化中最重要的也是工业中应用最广泛的就是使用固体催 化剂的系统。
4. Surface reaction to products
5. Desorption of products 6. Internal diffusion of products 7. External diffusion of products
二、气固相催化反应过程
多相催化化学反应过程步骤
⑴A
中国科学院大连化学物理研究所二维材料与能源器件创新特区研究 组研究员吴忠帅团队与上海同步辐射光源研究员姜政团队合作，开 发出一种多氧配位单原子镍负载石墨烯二维催化剂，具有高活性、 高稳定性的电化学析氧性能。
活性表面使活性下降。
三、催化剂基本特征
b、对反应的选择性，即对反应类型、反应方向和产物结构具有 选择性。这种选择关系就是催化剂研究的主要课题。
三、催化剂基本特征 c、只能加速热力学上可能进行的化学反应。
三、催化剂基本特征 d、催化剂只能改变化学反应的速率，不能改变化学平衡的位置。
三、催化剂基本特征
＝Aa0exp（－Ea/RT）PA θV－Ad0exp（－Ed/RT）PA θA
当吸附速率与脱附速率相等时，净速率值为零，吸附过程达到平 衡， r＝ra－rd＝0，即ra＝rd，则
PA＝Ad0 θA/Aa0 θVexp【（Ea－Ed）/RT】
三、气固相催化反应动力学基础
与化学反应相似，脱附活化能与吸附活化能之差为吸附热，用 符号q表示，q＝Ed－Ea，代入上式，可得
对于吸附过程，吸附速率可以写成 ra＝kaPa θV＝Aa0exp（－Ea/RT）PA θV 其中θV－吸附速率，Pa/h； Ea－吸附活化能，kJ/kmol； PA－A组分在气相中的分压； ka－吸附速率常数，h－1 Aa0－吸附指前因子，h－1
三、气固相催化反应动力学基础
吸附过程是可逆的，即在同一时间内系统中既存在吸附过程也存
二、气固相催化反应过程
化学吸附与脱附 化学吸附是由于电子的共用或转移而发生相互作用
的分子与固体间电子重排。
二、气固相催化反应过程
吸附过程
气固相催化反应的表面反应过程由吸附、脱附、表面反 应步骤组成。
气体在固体表面上的吸附可分为物理吸附和化学吸附。 1.物理吸附 吸附剂与被吸附物靠分子引力 -- 范德华力结合；
思考一下，具体催化剂怎样参与催化过程的呢？
绿色化工-绿色催化剂
化工一班
气固相催化反应过程
催化既能提高反应速率，又能对反应方向进行控制，且原则上催 化剂不消耗，因此应用催化剂是提高化学反应速率与控制反应方
向较为又有效的方法。
源自文库
一、催化剂也可称为“分子机器”
不仅酶也可以作为分子机器，催化剂也可以作为分子机器
①热稳定性 物质的晶型可能转变微晶烧结配合物分解 ②化学稳定性 化学组成流失、化合状态变化
③机械稳定性 固体催化剂破裂或粉化造成反应器内流体流动 状况恶化甚至发生堵塞迫使停产。
④耐毒性 常见毒物有砷、硫、氯的化合物及铅等重金属。
五、催化剂性能与标志
（5）其他物理性状 a、形状与尺寸 b、比表面积 每克催化剂的表面积，记为Sg，单位m2/g c、孔容积 每克催化剂中空隙的容积 ，记为Vg，单位ml/g d、孔径分布、平均孔径与或然孔径 e、孔隙率 催化剂颗粒孔隙体积与催化剂颗粒总体积之比，用 θ表示； f、空隙率 催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比， 用ε表示。
2.化学吸附
吸附剂与被吸附物之间可视为发生化学反应，是固体 表面与气相分子间的化学键力造成的。
化学吸附是吸附剂和被吸附物之间的电子共用或转移 发生相互作用，使气相分子的结构发生了变化，降低 了活化能，从而加快了反应速率，起到催化作用。
化学吸附是吸附剂和被吸附物之间的电子转移或共用 ，因此二者之间有很强的选择性。
结合预习情况-思考一下问题？
1、催化剂作用原理？ 2、催化剂组成与功能？ 3、固体催化剂的性能指标： 4、催化剂寿命周期，及影响因素 5、催化剂活化与失活、再生？ 6、催化剂暂时性失活、和永久性失活性的原因和区别？
三、催化剂基本特征
a、能够加快化学反应速率，本身并不进入化学反应的计量。实际 反应中催化剂不能无限循环使用，因为不仅与催化剂的化学组成 有关，亦与物理状态有关.在反应过程中因高温受热等导致反应物结焦，覆盖催化剂
4. Surface reaction to products
5. Desorption of products 6. Internal diffusion of products 7. External diffusion of products
绿色化工-催化剂制备及工业应用
化工一班
一、催化剂制备
反。
五、催化剂性能与标志 理想催化剂具备高活性、合理的流动性和长寿命，一般难以满足 ，活性和选择性是首先考虑的。
五、催化剂性能与标志 （1）活性 改变反应速率的能力，即加快反应速率的程度，取决于
催化剂的化学本性和物理结构等性质。
五、催化剂性能与标志
（2）选择性 ：选择性是催化剂促使反应向所要求方向进行而得 到目标产物的能力。催化剂具有特殊的选择性，不同类型的化学 反应需要不同的催化剂，同样的反应物，选用不同的催化剂，获
三、气固相催化反应动力学基础
气固相催化反应速率的表示 根据化学反应速率定义式
反应速率
反应量 反应区域 反应时间
反应区域有如下几种选择： 1、选用催化剂体积，反应速率(-rA)'单位为kmol/（m3（催化剂）.h）； 2、选用催化剂质量，反应速率(-rA)''单位为kmol（kg （催化剂）.h）； 3、选用催化剂堆积体积，即反应器中催化剂床层体积，反应速率(-rA)'''单位
A ＋ σ ＝A σ
三、气固相催化反应动力学基础
化学吸附速率
1、化学吸附速率的一般表达方式 A ＋ σ ＝A σ
组分A的覆盖率θA：固体催化剂表面被A组分覆盖的活性中心数 与总的活性中心数之比值：
θA＝被A组分覆盖的活性中心数 /总的活性中心数 空位率θV：固体催化剂表面尚未被气相分子覆盖的活性数与总 的活性中心数之比值。
得不同产物。
五、催化剂性能与标志 （3）使用寿命 指在反应条件下具有活性的使用时间或活性下降经
再生而又恢复的累计使用时间，各催化剂都有自己的寿命曲线。
失活因素：化学因素、超温过热、机械原因 耐毒性 分类：暂时失活、永久性失活
五、催化剂性能与标志
（4）机械强度和稳定性 机械强度的影响因素有催化剂的化学组成、物理结构、制备成 型方法和使用条件等。
四、催化剂组成与功能
载体：是固体催化剂特有的组分，可以增大表面积、提高耐热性 和机械强度的作用，有时还能充当助催化剂，载体含量大于助 催化剂。
载体是催化剂活性组分的分散剂、黏合物或支撑体，是活性组分的骨架。将活性组分 、助催化剂负载于载体上的催化剂，称为负载型催化剂。
抑制剂：能使活 性组分催化活性适 当降低，甚至必要 时大幅度下降，其 作用与助催化剂相
为kmol/（m3（床层）.h）；
三、气固相催化反应动力学基础
化学吸附速率
A ＋ σ ＝A σ
三、气固相催化反应动力学基础
化学吸附速率
1、化学吸附速率的一般表达方式 化学吸附只能发生于固体表面那些能与气相分子起反应 的原子上，通常把该类称为活性中心，用符号“σ”表示， 化学吸附类似于化学反应，气相中的A组分在活性中心 上的吸附如下表示：
在脱附过程，一般脱附式可以写成：
Aσ
A ＋σ
则脱附速率为
rd＝kdθA＝Ad0exp（－Ed/RT）PA θA 其中θA－脱附速率，Pa/h；
Ed－脱附活化能，kJ/kmol；
θA －A组分的覆盖率； kd－脱附速率常数，h－1 Ad0－脱附指前因子，h－1
三、气固相催化反应动力学基础
吸附过程的净速率（r）为吸附速率与脱附速率之差 r＝ra－rd＝ kaPaθV－ kdθA
f、催化剂不 改变化学平衡，表明既能加速正反应，也同样加速 逆反应。
四、催化剂组成与功能
固体催化剂通常不是单一物质，而是由多种物质组成，一般分 为活性组分、助催化剂、载体。
四、催化剂组成与功能
四、催化剂组成与功能
活性组分（主催化剂）是主要成分，起催化作用的根本性物质， 由一种或多种物质组成。
助催化剂：本身对某一反应没有活性或活性很小，但添加少量于 催化剂中能使CAT具有期望的活性、选择性或稳定性的物质。
θ V ＝未被组分覆盖的活性中心数 /总的活性中心数
A组分的吸附率或覆盖率 θ A：
A
被A组分覆盖的活性中心数 总活性中心数
空位率或未被覆盖率 θ V：
未被覆盖的活性中心数
V
总活性中心数
n
( i ) V 1 i1
θ i --- i 组分的吸附率
51
设 θi为i组分的覆盖率，则有 ∑ θi ＋ θV＝1
气固相反应过程经过以下七个步骤：
a、反应组分从流体主体向催化剂外表面传递（外扩散过程） b、反应组分从催化剂外表面向催化剂内表面传递（内扩散过程）
c、反应组分在催化剂表面活性中心吸附（吸附过程） d、在催化剂表面上进行化学反应（表面反应过程）
e、反应产物在催化剂表面脱附（脱附过程） f、反应产物从催化剂内表面向催化剂外表面传递（内扩散过程）
PA＝Ad0 θA/Aa0 θVexp【－q/RT】 －吸附平衡方程 在实际应用过程中，吸附平衡方程和吸附速率方程存在一定困难，
Overall progression of heterogeneously catalysed reaction
Reaction steps
1. External film diffusion 2. Internal pore diffusion 3. Adsorption on active sites
一、催化剂也可称为“分子机器 ”
中国科学院大连化学物理研究所研究员邓德会团队研发出一种新型的石墨烯壳 层封装钴镍纳米粒子的“铠甲”催化剂，成功实现了电催化高效分解硫化氢制
备高纯氢气
一、催化剂也可称为“分子机器”
二、气固相催化反应过程
气固相反应本征动力学是研究不受干扰条件下的固体催化剂与 其接触的气体之间的反应动力学。
绿色化工-绿色催化剂
化工一班
工业催化
没有催化剂就没有化学工业、也没有有机化学工业，更没 有化学工业的核心竞争力。
工业上使用的气固相反应绝大多数都是在固体催化剂作用 下的催化反应
催化剂与人的日常生活
什么是催化剂？
什么是催化剂？
催化既能提高反应速率，又能对反应方向进行控制，且原则上催 化剂不消耗，因此应用催化剂是提高化学反应速率与控制反应方