工业催化3.3 金属及合金催化剂及其催化作用
团簇在化学特征上表现出随团簇的原子或分子个 数n的增大而产生的奇偶振荡性（even－odd oscillation）和幻数（magic number）特征。金属原子 簇在不同n值时反应速率常数的差别可达103 。化学反 应性、平衡常数等也出现了奇偶振荡性特征。
2.金属和载体的相互作用
金属和载体的相互作用有三种类型：
① 金属颗粒和载体的接触位置在界面部位处，分 散的金属可保持阳离子性质。
② 分散的金属原子溶于氧化物载体晶格中或与载 体生成混合氧化物，其中CeO2 、MoO2、WO3或其混 合物对金属分散相的改进效果最佳。
③ 金属颗粒表面被来自载体氧化物涂饰。
一. 金属表面的化学键
研究金属表面化学键的理论有：
能带理论 价键理论 配位场理论
1.能带理论
s 轨道、d 轨道组合成 s 带、d 带。 s 轨道相互作用强， s 带较宽，一般有（6~7）~20 ev ； d 带较窄，约为（3~4）ev. 即s 带能级密度比 d 带能级密度小，具体表现如下：
V(E)
对C-H，H-H，H-O键的断裂反应，只需要较小的能量，因此 可在少数一两个原子组成的活性中心上或在弱吸附中心上进行反应。 它们对催化剂表面的微细结构如晶粒大小，原子在表面上所处的部 位，以及活性中心原子组合等皆不敏感。
对C-C，N-N，C-O键的断裂或生成的反应，需提供较大量的能 量，反应是在强吸附中心上进行的。这些中心或是多个原子组成的 集团，或是表面上的扭曲，折皱处的原子，因而反应对催化剂表面 上的微细结构十分敏感。
3.3金属催化剂及其催化作用
金属催化剂是重要的工业催化剂。
金属的催化作用
金属催化作用---化学吸附
金属催化作用---晶体结构
Fcc 面心立方
Bcc 体心立方
Hcp密排六方
金属催化作用---电子结构
金属催化剂有以下几种形式： ① 块状金属催化剂（Messive catalyst)：如电解Ag、
几何因素的组合效应和电子因素的配位调变效应对催化活性都是重要 的，只不过是在不同条件下处于不同的主导位置。
六、金属簇状物催化剂简介
原子或分子簇（或称团簇，cluster）是几个至上千个原子、分子或离 子通过物理或化学键合组成的相对稳定的聚集体。其物理和化学性质随 所含的原子数目而变化。团簇的空间尺度在几个埃（A）至几百个埃之间。 用无机分子来描述显得太大，用小块固体来描述又太小。其许多性质既 不同于单个的原子、分子，又不同于固体和液体，因而人们把团簇堪称 是介于原子、分子与宏观固体之间物质结构的新层次，是各种物质由原
七、非晶态合金催化剂简介
非晶态合金又称为金属玻璃或无定形合金。是在20 世纪60年代初被发现的，这类材料大多由过渡金属和类 金属（如B、P、Si）组成，通常是在熔融状态下的金属经 淬冷而得到类似于普通玻璃结构的非晶态物质，又称为 金属玻璃。其微观结构不同于一般的晶态金属，在热力 学上处于不稳定或亚稳定状态，从而显示出短程有序， 长程无序的独特物理化学性质。
金属和载体的相互作用有三种类型
金属颗粒和载体 的接触位置在界 面部位处，分散 的金属可保持阳 离子性质。
分散的金属原 子溶于氧化物 载体晶格中或 与载体生成混 合氧化物。
金属颗粒表面 被来自载体氧 化物涂饰。
由于金属与载体的相互作用而出现了电子从载体 流向金属或金属流向载体的电荷转移。
金属与载体的相互作用改变了气体的吸附性质。 一量6的7般的N3KiO可下下还以降完原观。全就察如可难到 ：以多还在还了原H原。2温气成度氛金的中属升，，高非而和负分H载散2的、的CNSOiiOO的粉2或化末A学。2O吸在3上附
熔Fe、Pt 网等
② 分散或负载型：如：Pt-Re/η-Al2O3、Ni/Al2O3 ③ 合金催化剂：如：Cu-Ni 加氢 ④ 簇状物(Metal Cluster)：如：多核等 Fe3(CO)12 ⑤ 互化物：如：LaNi5 等
头二类为主要的金属催化剂。几乎所有的金属催化剂都是过 渡金属。而过渡金属催化剂的活性组分是第Ⅷ族和第ⅠB族金属。
② 结构敏感反应
这类反应涉及的是C-C，N-N，C-O键的断裂或生 成的反应，对催化剂表面结构的变化，合金化的变化 或金属性质的变化敏感性较大，称之为结构敏感反应 （Structure-Sensitive Reaction）。如：合成氨使用 的负载 Fe 催化剂，该反应催化剂的活性随 Fe 在载 体上的分散度的增加而增高。
另外，金属载体的相互作用也可改变催化性能， 例时载如，时：对，C生生O成成+的甲H活 烷2 性的反和活应选性，择和用性选L有择a2利性O3。都、而很M用高g。TOi和O2Z和nOZr负O2载负Pd
3.结构敏感和结构非敏感反应
① 结构非敏感反应：
这类反应涉及的是 H-H，C-H，O-H键的断裂或生成 的反应。它们对催化剂表面结构的变化，合金化的变化 或金属性质的变化，敏感性不大，称为结构非敏感反应 （Structure-Insensitive Reaction)）。如：环氧丙烷加 氢的反应，用宏观单晶 Pt 和负载于Al2O3或SiO2上的微 晶（1~1.5 nm）其活性基本相同。
五.合金催化剂及其催化作用
1.合金催化剂的类型
原子半径相近，晶体结构相同的一些金属常常可相互熔合形 成合金。而金属的特性亦随着合金的形成而改变。双金属催化剂 可分为以下几类：
① 由 Ⅷ 族与 ⅠB族金属形成。如：Ni-Cu，Pd-Au 都是，主 要用于烃类的氢解，加氢和脱氢
② 由两种ⅠB 族金属形成。如：Ag-Au，Cu-Au等，用于改善 部分氧化反应的选择性
八、金属膜催化剂简介
通过催化反应和膜分离技术相结合来实现反应 和分离一体化的工艺，就是所谓的膜催化技术。
该技术可使反应产物选择性地分离出反应体系 或向反应体系选择性提供原料，促进反应平衡的右 移，提高反应转化率。
对加氢反应常常是H2的解离吸附为控制步骤。最 活泼的金属催化剂是 Ⅷ 族金属。该族金属对H2的吸 附强度适中，活性最高。ⅤB 、ⅥB族金属的孔穴太多， 吸附太强，ⅠB金属孔穴又太少，吸附太弱。如以金属 在元素周期表中的位置与加氢活性标绘，则可得一火 山型曲线，反映了金属电子结构的微小差别对催化性 能带来的影响。
四.负载型金属催化剂的催化活性
1.金属的分散度（D）
ns
表面的金属原子数
D= =
/克催化剂
nT
总的金属原子数
金属在载体上的分散成都，直接关系到表面金 属原子的状态。影响负载型金属催化剂的活性。 因
为催化反应都是在表面原子上进行反应的。故分散 度大的催化剂，一般其催化活性较高。
金属晶面上晶粒大小与表面位分布的关系
对d带孔穴的理解对化学吸附和催化作用是很重要的。
2. 价键理论
该理论认为过渡金属原子以 s、p、d等原子轨道 杂化相结合。杂化轨道中电子轨道所占的百分数称为 d 特性百分数，以 d%表示。d%越大，d 带孔穴越 少。
3. 配位场理论
是借用络合物化学中键合处理的配位场概念而建 立的定域模型，可参看有关资料。
解析：
乙烷的氢解反应需要两个或两个以上相邻的Ni原子的组合结构，Cu的 加入极大地降低了Ni在表面上必要的聚集状态，使活性结构的数目很快地 减少，导致活性下降。
而对环己烷的脱氢则被认为是反应只需要较少数目的Ni原子，Cu的加 入不会破坏反应所需要的结构。因此在较大的范围内，反应的活性维持不 变。Cu(3d104s1)的加入还会引进 d孔穴数的稍稍减少，使Ni(3d84s2) 对产物 苯的解吸速度加快（Ni 对产物苯的键合强度减弱），加速了原来反应的控 制步骤，因而活性略有增大，但Cu含量过高时，使Ni原子大量稀释，活性 又急剧下降。
2. d%与催化活性
价键理论提供了 d% 的概念。但 d% 主要是一 个经验参数。由实验测得金属催化同位素交换反应的 速率常数与对应的金属的 d% 有较好的线性关系。
d% 不仅以电子因素关联金属催化剂的活性，而 且还可以原子间距和格子的空间几何因素去关联。因 为金属晶格的单键原子半径与 d% 有直接关系。
非晶态合金催化剂的特性
（1）短程有序 一般10-认9 为，非晶态合金的微观结构短程有序区在10-9m
范围内。其最临近的原子间的距离和晶态的差别很小， 配位数也几乎相同。表面含有很多配位不饱和原子，在 某种意义上来说可以看作含有具有很多缺陷的结构，而 且分布均匀，从而具有较高的表面活性中心密度。
（2）长程无序
（3）组成可调整 非晶态合金可以在很大范围内对其组
成进行调整（这有别于晶态合金），从而 可连续地控制其电子、结构等性质，也就 是说可根据需要方便地调整其催化性质。
非晶态合金催化剂主要有两大类：
1、Ⅷ族过渡金属和类金属的合金，如Ni-P, Co-B-Si等。
2、金属与金属的合金，如Ni-Zr, Cu-Zn, Ni-Ti,等，非晶态合金催化剂主要用于电极催 化，加氢、脱氧、异构化及分解等反应。
一般 d%可用于解释多晶催化剂的活性大小，但 不能说明晶面上的活性差别。
3.晶格间距与催化活性
晶格间距表达的是是催化体系所需要的某种几 何参数。在实验中发现对某些反应，如金属膜催化 加氢。其催化活性与晶格间距有一定的关系。
金属晶格间距与乙烯加氢活性的关系
4.表面原子水平的不均匀性和催化活性
金属催化剂的表面是不均匀的，存在着各种不同 类型的表面位。可用原子表面的TSK模型：即台阶 （Terrace）、梯阶（Step）、和拐折（Kink）模型。 在表面上存在的拐折、梯阶、空位、附加原子等表面 位，对催化反应而言，都是活性较高的部位。
V(E)
3d
E
4s
E
d 带能级密度和 s 带能级密度的特征面貌
对过渡金属而言，其能级结构一般是由 3d 和 4s 带重叠而成。 部分电子在 d 带和 s 带上发生迁移，造成 d 带孔穴。以过渡金 属 Ni 为例：
金属催化剂及其催化作用
金属催化剂及其催化作用引言催化是一种重要的化学过程，它可以通过降低能量势垒的方式加速化学反应的速率。
金属催化剂作为一类常用的催化剂，广泛应用于有机合成、能源转化等领域。
本文将介绍金属催化剂的定义、分类以及其在化学反应中的催化作用。
金属催化剂的定义与分类金属催化剂是指能够在化学反应中加速反应速率，且在反应结束时保持不变的金属物质。
金属催化剂能够通过提供活性位点、调控反应的能垒、吸附反应物等方式实现催化作用。
根据催化剂的组成，金属催化剂可以分为两类：一类是纯金属催化剂，即单一金属元素或金属合金；另一类是负载型金属催化剂，即将金属颗粒负载于支撑物上。
负载型金属催化剂具有较大的比表面积和较高的催化活性，常用的负载物包括二氧化硅、氧化铝等。
金属催化剂还可以根据金属的化学性质进行分类。
常见的金属催化剂包括贵金属催化剂（如铂、钯、铑等）、过渡金属催化剂（如铁、铜、镍等）以及稀土金属催化剂（如钕、镧等）。
不同类型的金属催化剂具有不同的催化特性，适用于不同类型的化学反应。
金属催化剂的催化作用金属催化剂在化学反应中主要通过以下几个方面发挥作用：1.提供活性位点：金属催化剂上的金属离子或金属表面可以提供活性位点，吸附并激活反应物。
活性位点能够有效降低化学反应的活化能，加速反应速率。
2.调控反应的能垒：金属催化剂可以通过调整反应物与催化剂间的作用力，改变反应的活化能。
例如，在氢气化反应中，贵金属催化剂能够吸附氢气并削弱键合，从而降低氢与反应物之间的能垒，促进反应进行。
3.提供电子转移：金属催化剂可以通过提供或接收电子的方式参与反应。
贵金属催化剂常常参与电子转移反应，如氧化还原反应，通过调控电子转移过程来加速反应速率。
4.分子催化：金属催化剂中的金属离子或金属表面可以与反应物发生直接的化学反应，形成中间体，进而促进反应进行。
这种分子催化机制在有机合成中具有重要的应用价值。
金属催化剂的应用金属催化剂在化学合成、能源转化等领域具有广泛的应用。
金属催化剂及其催化作用
发展高效、绿色的金属催化剂制备技术
总结词
发展高效、绿色的金属催化剂制备技术 ，是实现可持续发展的重要途径。
VS
详细描述
传统的金属催化剂制备方法往往需要高温 、高压等苛刻条件，且产率较低。因此， 发展高效、绿色的金属催化剂制备技术成 为当前研究的重点。通过探索新的合成方 法和优化现有工艺，可以降低能耗和减少 废弃物排放，同时提高金属催化剂的产率 和性能，为绿色化学的发展做出贡献。
金属催化剂如铂、钯和铑等在燃料电池中发挥关键作用，能 够加速燃料和氧化剂之间的反应，提高燃料电池的效率和性 能。
太阳能光解水制氢
金属催化剂如钛、锆和镍等可用于太阳能光解水制氢过程中 ，能够加速水分子分解成氢气和氧气，为可再生能源的生产 提供支持。
05
金属催化剂的发展趋势与挑 战
新材料与新技术的研发
选择性评价
测定反应产物中目标产物的比例，评价金属 催化剂的选择性。
稳定性评价
考察金属催化剂在多次使用或长时间使用过 程中的性能变化。
经济性评价
综合考虑金属催化剂的制备成本、使用成本 等因素，评估其经济价值。
04
金属催化剂在工业生产中的 应用
石油化工领域
石油裂化
烯烃聚合
金属催化剂如镍、铂和钯等广泛应用 于石油裂化过程中，能够将重质油裂 解成轻质油，提高石油的利用效率。
金属催化剂如钛、锆和镍等在烯烃聚 合过程中起关键作用，能够控制聚合 物的分子结构和性能，广泛应用于塑 料、纤维和橡胶等生产。
合成氨
金属催化剂如铁、钴和镍等在合成氨 工业中发挥重要作用，能够加速氮和 氢反应生成氨的过程，提高合成氨的 产量。
环保领域
汽车尾气处理
金属催化剂如铂和钯等用于处理 汽车尾气中的有害物质，能够加 速有害物质的氧化还原反应，降
金属材料的催化剂及其催化作用
金属材料的催化剂及其催化作用
第一节 金属催化剂的结构
（B）能带理论模型
该理论模型认为，金属中原子间的相互结合能来源于荷正电的离子和价电子之间的静 电作用。原子中内壳层的电子是定域的，原子中不同能级的价电子组成能带，如 对过渡金属就可形成s能带、p能带和d能带等。下图是金属铜的能带组成示意模型。
金属材料的催化剂及其催化作用
第一节 金属催化剂的结构
典型的金属晶格有如下三种：
（1）体心立方结构（bcc）
（a）体心立方晶格的晶胞； （b）体心立方晶格中原子的堆积模型
金属材料的催化剂及其催化作用
第一节 金属催化剂的结构
（2）面心立方结构（fcc或ccp）
（a）面心立方晶格的晶胞； （b）面心立方晶格中原子的堆积模型
金属催化剂的结构
以Ni为例，Ni原子的价电子结构为3d84s2，假定spd轨道杂化时需要的 能量是由不同电子结构之间发生共振提供的，那么最稳定的spd轨 道共振会发生在d2sp3（状态A）和d3sp2（状态B）之间
Ni的两种电子状态
图中 代表原子电子， 代表参加金属键的成键电子。显然，根据Ni 的价电子结构，状态A是在2个3d电子和一个4s电子被激发到4p轨道 后形成的，d轨道的分数为2/6；状态B是在1个3d电子和1个4s电子 被激发到4p轨道后形成的。d轨道的分数为3/7。根据Ni的饱和磁矩 和统计权重，状态A和状态B的统计分布分别为30％和70％。因此 计算出的d％为：
宽度为m个原子列（晶列），(h'k'l')是台阶侧面的晶面指标，n是台阶的原子层厚 度，uvw是台阶与台阶相交的原子列的方向，如果晶列[uvw]不是原子的密排方向， 原来的直线台阶将变为折线台阶，台阶的转折处称为扭折。
工业催化原理――知识要点
工业催化原理知识要点金属催化剂及其催化作用1、金属催化剂的应用及其特性1 )金属催化剂的应用金属催化剂：指催化剂的活性组分是纯金属或者合金纯金属催化剂：指活性组分只由一种金属原子组成，这种催化剂可单独使用，也可负载在载体上合金催化剂：指活性组分由两种或者两种以上金属原子组成2 )金属催化剂的特性常用的金属催化剂的元素是 d 区元素，即过渡元素( ⅠB、ⅥB、ⅦB、Ⅷ族元素)金属催化剂可提供的各种各样的高密度吸附反应中心2、金属催化剂的化学吸附1 )金属的电子组态与气体吸附能力间的关系( 1 )金属催化剂化学吸附能力取决于金属温和体份子的化学性质，结构及吸附条件( 2 )具有未结合 d 电子的金属催化剂容易产生化学吸附( 3 )价键理论：不同过渡金属元素的未结合 d 电子数不同，他们产生化学吸附的能力不同，其催化性能也不同( 4 )配位场理论：金属表面原子核体相原子不同，裸露的表面原子与周围配位的原子数比体相中少，表面原子处于配位价键不饱和状态，他可以利用配位不饱和的杂化轨道与被吸附份子产生化学吸附。
( 5 )吸附条件对进水催化剂的吸附的影响：低温有利于物理吸附，高温有利于化学吸附高压有利于物理吸附，也有利于化学吸附2 )金属催化剂的化学吸附与催化性能的关系( 1 )金属催化剂的电子逸出功(脱出功)定义：将电子从金属催化剂汇中移到外界(通常是真空环境中)所需做的最小功，或者说电子脱离金属表面所需要的最低能量符号：Φ，在金属能带图中表现为最高空能级与能带中最高填充电子能级的能量差意义：其大小代表金属失去电子的难易程度或者说电子脱离金属表面的难易( 2 )反应物份子的电离势定义：指反应物份子将电子从反应物中移到外界所需的最小功，用 I 表示。
意义：其大小代表反应物份子失去电子的难易程度。
电离能：激发时所需的最小能量( 3 )化学吸附键和吸附状态①当ΦI时，电子将从反应物份子向金属催化剂表面专业，反应物分子变成吸附在金属催化剂表面上的正离子。
工业催化原理,第4章金属催化剂及其催化作用
配位场理论
❖ 在孤立的金属原子中，5个d轨道是能级简并的，引入面心 立方的正八面体对称配位场后，简并的能级发生分裂，分 成t2g轨道和eg轨道两组。前者包括dxy、dzx和dzy；后 者包括dx2-y2和dz2 eg能带高，t2g能带低。
➢ 由于它们的空间指向性，所以表面金属原子的成键具有明 显的定域性。
Ru Pd
Cu
Ni
Co
Fe
250
300
350
400
生成热
450
各种金属对甲酸分解的催化活性
❖ 金属催化剂催化活性的经验规则 ❖ （1）d带空穴与催化活性 ❖ （2）d%与催化活性 ❖ （3）晶格间距与催化活性 ❖ （4）表面在原子水平上的不均匀和催化活性
晶体结构基础知识介绍
➢ 晶体是按晶胞的几何图形在三维空间呈周期性无 限重复位移而得的空间点阵。
能带理论
❖ 金属键可以看作是多原子共价键的极限情况。按分子轨道 理论，金属中N个原子轨道可以形成N个分子轨道。随着 金属原子数增多，能级间距越来越小，当原子数N很大时， 能级实际变成了连续的能带。
❖ 能带理论：能级是连续的，电子共有化。 ❖ s轨道合成的S能带相互作用强，能带宽，电子密度小。 ❖ d轨道合成的d能带相互作用弱，能带较窄，电子密度大。 ❖ 电子占用的最高能级为Fermi能级。
简单立方
体心立方
面心立方
分子的几何构型
AX2 SN=2 线型
AX3 SN=3 平面三角
AX4 SN=4 四面体
AX5 SN=5 三角双锥
f (Ei )
1 1 Ej E0F
1e kR
❖ 当T →时分布函数极端情况讨论
❖ ➢首先，令当T= 0°k 时令EF= E0F
化工工业催化导论4金属催化剂及其催化剂作用
4-3 金属催化剂及其催化剂作用
4. 负载型金属催化剂的催化活性
(1) 金属的分散度 金属在载体上微细的程度用分散度D（Dispersion）
来表示，其定义为：
D
ns nt
表面的金属原子 总的金属原子
/ g 催化剂
因为催化反应都是在位于表面上的原子处进行，
故分散度好的催化剂，一般其催化效果较好。当D=1 时，意味着金属原子全部暴露。
4-3 金属催化剂及其催化剂作用
3. 金属催化剂催化活性的经验规则 (1) d带空穴与催化剂活性
不成对的电子会引起顺磁或铁磁性。铁磁性金属 (Fe、Co、Ni)的d带空穴数字上等于实验测得的磁距, 分别测得d空穴为2.2，1.7，0.6。d空穴越多可供反应 物电子配位的数目越多，但主要从相匹配来考虑。
4-3 金属催化剂及其催化剂作用
2. 金属和金属表面的化学键 金属电子结构的能带模型
EF 导带 禁带 满带
0 K时电子所占据的最高能级EF (Fermi能级)
4-3 金属催化剂及其催化剂作用
2. 金属和金属表面的化学键 金属电子结构的能带模型
4-3 金属催化剂及其催化剂作用
2. 金属和金属表面的化学键 金属电子结构的能带模型 s轨道形成s带，d轨道组成d带，s带和d带之间有交叠
4-3 金属催化剂及其催化剂作用
3. 金属催化剂催化活性的经验规则 (1) d带空穴与催化剂活性
金属能带模型提供了d带空穴概念，并将它与催化 活性关联起来。d空穴越多，d能带中未被d电子占用 的轨道或空轨道越多，磁化率会越大。磁化率与金 属催化活性有一定关系，且会随金属和合金的结构 以及负载情况而不同。从催化反应的角度看，d带空 穴的存在，使之有从外界接受电子和吸附物种并与 之成键的能力。但也不是d带空穴越多，其催化活性 就越大。因为过多可能造成吸附太强，不利于催化 反应。
工业催化剂作用原理—金属催化剂
正三角形的边长2.7746—2.4916nm。
金属 Pt Pd Ir Rh Cu
-Co Ni
晶格 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方
原子间距 0.2775 0.2751 0.2714 0.2690 0.2556 0.2560 0.2492
金属 Re Tc Os Zn Ru -Co Ni
• 3d和4s能带的重叠，原来10个价 电子并不是2个在S能带，8个在d 能带；其电子组态是3d9.4 4s0.6。
• 空穴可以通过磁化率测量测出。 Ni的3d能带有0.6个空穴。
d空穴：d能带上有能级而无电子，它具有获得电子的能力
《工业催化》—工业催化剂作用原理
常见金属催化剂的d空穴数
Fe
Co
Ni
《工业催化》—工业催化剂作用原理
B、晶格参数
(1) 立方晶格 晶轴：a = b = c， = = = 90o。
(2)六方密堆晶格 晶轴：a = b c， = = 90o， = 120o。 金属晶体的a、b、c和、、 等参数均可用X-
射线测定
《工业催化》—工业催化剂作用原理
19.0
Pt 44.0
Hf
29.0
Au
－
Ta
39.0
《工业催化》—工业催化剂作用原理
《工业催化》—工业催化剂作用原理
例：乙烯在各种金属薄膜上催化加氢活性与d%的关 系
✓ 金属催化剂的活性要求d％有 一定范围。
✓ 广泛应用的加氢催化剂主要 是周期表中的第四、五、六 周期的部分元素，它们d％差 不多都在40％~50％范围内。
《工业催化》—工业催化剂作用原理
3.1 金属催化剂的吸附作用 3.2 金属的电子结构理论 3.3 金属表面集合因素与催化活性 3.4 晶格的缺陷与位错 3.5 金属-载体间的相互作用 3.6 合金催化剂
化工工业催化导论4金属催化剂及其催化剂作用
化工工业催化导论4金属催化剂及其催化剂作用金属催化剂是指在催化反应中，以金属元素或金属离子形式存在的催化剂。
金属催化剂对于化工工业起着极其重要的作用，许多化工工业过程都需要金属催化剂来促进反应的进行。
本文将主要介绍金属催化剂的种类以及它们在催化反应中的作用。
金属催化剂根据其组成和性质可以分为单金属催化剂和多金属催化剂。
单金属催化剂是指催化剂中只含有一种金属元素，例如铂、钯、铑等。
多金属催化剂则是指催化剂中含有两种以上的金属元素，例如铂-铑组合、钯-铑组合等。
不同种类的金属催化剂在催化反应中有不同的作用。
金属催化剂在催化反应中的作用可以归纳为三个方面：活化反应物、提供催化反应中的中间物和降低反应活化能。
首先，金属催化剂能够活化反应物，使其易于被催化反应进行。
金属催化剂通常具有良好的吸附性质，在吸附反应物分子的过程中，可以改变反应物的键的性质，使其易于发生反应。
例如，铂催化剂对氢气的吸附能力非常强，能够将分子中的氢原子剥离出来，使其与其他反应物发生反应。
其次，金属催化剂还能提供催化反应中的中间物。
催化反应通常会经历多个步骤，中间物在这些步骤中起着关键的作用。
金属催化剂可以提供活性位点，以吸附和催化反应物分子中的原子，从而形成中间物。
例如，钯催化剂可以通过吸附氢气和反应物形成Pd-H键，进而形成中间物，促进催化反应的进行。
最后，金属催化剂能够降低反应的活化能。
催化反应需要克服一个能垒才能进行，而金属催化剂则能降低这个能垒，使反应更容易进行。
金属催化剂通过改变反应物的电子结构、提供反应活性位点等方式，降低了反应的活化能。
因此，催化反应在金属催化剂的存在下能够更容易地发生。
综上所述，金属催化剂在化工工业中起着重要的作用。
它们可以活化反应物，提供催化反应中的中间物，以及降低反应的活化能。
通过这些作用，金属催化剂能够促进化学反应的进行，提高反应的速率和选择性。
因此，金属催化剂在许多化工工业过程中得到了广泛的应用，例如石油加工、有机合成、环境保护等领域。
_金属催化剂及其催化作用
金属催化剂的应用
❖金属催化剂主要催化的化学反应
❖ 加氢、脱氢 ❖ 异构化 ❖ 部分氧化 ❖ 完全氧化等。
应用
加氢 N2 + 3H2
+ 3H2 OH
+ 3H2
2NH3 OH
α-Fe -K2O-CaO-Al2O3 Ni / Al2O3
Raney Ni
N=C-(CH2)4-C=N + 4H2
H2N-(CH2)6-NH2 Raney Ni-Cr
气体 O2 C2H2 C2H4 CO H2 CO2 N2
+
+
+ ++ ++
+
+
+ ++ + -
+
+
+ ++ - -
+
+
+ + - -
+
+
+ +- - -
+
+
- -- --
+
-
- -- --
＋：强化学吸附； ：弱化学吸附；-：没有化学吸附；
：Au不吸附O2；*：半金属；：非金属
吸附能力较强的（A、B1、B2、B3）
负载型金属催化剂：金属晶粒分散于载体上
如：Pt / Al2O3、 Ni / Al2O3
（负载型）合金催化剂：活性组分多于一种金属
如：Ni-Cu / 载体（加氢）、Pt-Re / -Al2O3（催化重整）
金属互化物催化
如：LaNi5（合成气转化为烃） 金属簇状物催化剂
几乎所有金属催化剂都 是过渡金属或贵金属
3.3 金属催化剂及其催化作用
催化剂的作用在于加速反应物之间的电子转移， 催化剂的作用在于加速反应物之间的电子转移，要 求催化剂既具有接受电子的能力， 求催化剂既具有接受电子的能力，又有给出电子的 能力。 能力。
过渡金属的d空穴正是具有这种特性。 对一定的反应， 过渡金属的 空穴正是具有这种特性。对一定的反应 ， 空穴正是具有这种特性 要求催化剂具有一定的d空穴 而不是愈多愈好。 空穴， 要求催化剂具有一定的 空穴，而不是愈多愈好。 Ni催化苯加氢制环己烷，催化活性很高。Ni的d带空穴为 0.6（与磁矩对应的数值，不是与电子对应的数值）。若 用Ni-Cu合金则催化活性明显下降，因为Cu的d带空穴为 Ni-Cu Cu d 零，形成合金时d电子从Cu流向Ni，使Ni的d空穴减少， 造成加氢活性下降。 Ni催化氢化苯乙烯制备乙苯，有较好的催化活性。如用 Ni-Fe合金代替金属Ni，加氢活性下降。但Fe是d空穴 (2.2)较多的金属，形成合金时，d电子从Ni流向Fe，增 加Ni的d带空穴。这说明d带空穴不是越多越好。
s能级为单态，只能容纳2个电子； 能级为单态，只能容纳 个电子 个电子； 能级为单态 d能级为五重简并态，可以容纳 个电子。 能级为五重简并态， 个电子。 能级为五重简并态 可以容纳10个电子
d带的能级密度为 带的 倍， 带的能级密度为s带的 带的能级密度为 带的20倍 d带图形表现为高而窄，s带图形表现为矮而胖。 带图形表现为高而窄， 带图形表现为矮而胖 带图形表现为矮而胖。 带图形表现为高而窄
在孤立的金属原子中， 个 轨道能级是简并的， 轨道能级是简并的 在孤立的金属原子中，5个d轨道能级是简并的， 引入面心立方的正八面体对称配位场后，金属原子 引入面心立方的正八面体对称配位场后， 5个简并的 轨道能级分裂成 2g和eg两组。 个简并的d轨道能级分裂成 两组。 个简并的 轨道能级分裂成t