催化作用原理-资料
催化作用原理(第一、二章)
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。
催化作用的原理
催化作用的原理催化作用是指在化学反应中，通过加入一种催化剂，可以降低反应活化能并加速反应速率的现象。
催化剂本身在反应过程中不发生永久性改变，因此能够循环使用。
催化作用在化学工业中具有非常重要的应用，能够提高反应效率、减少能量消耗以及减少废物产生。
本文将介绍催化作用的原理及其在化学反应中的应用。
一、催化剂的作用机制催化剂通过提供一个不同于反应物之间的反应路径，降低反应物之间相互作用的能量，从而使反应过程更容易进行。
催化剂通常通过以下几种方式参与反应：1. 提供新的反应途径：催化剂可以通过与反应物相互作用，形成活化复合物，从而提供新的反应途径。
这个新的途径能够以较低的能量形成过渡态，并且能够更快地形成反应产物。
2. 降低活化能：催化剂能够降低反应的活化能，使反应更容易发生。
它通过与反应物相互作用，改变反应物之间的键能，使其更容易断裂或形成。
3. 提供反应场：催化剂能够提供反应场，使反应物能够更容易相遇并发生反应。
这个反应场通常是催化剂表面上的活性位点，能够吸附反应物并使其分子结构发生变化。
二、催化剂的分类催化剂根据其物理和化学性质的不同，可以分为多种不同类型。
以下是常见的几种分类：1. 酸催化剂和碱催化剂：酸催化剂通过质子(H+)的传递促进反应，碱催化剂则通过提供羟根离子(OH-)来催化反应。
2. 金属催化剂：金属催化剂通常以金属离子或金属基团的形式存在，并且能够通过与反应物相互作用来改变反应速率。
3. 酶催化剂：酶是一种生物催化剂，在生物体内起到调节和促进化学反应的作用。
酶催化剂对于特定的底物具有高度的专一性。
三、催化作用在化学反应中的应用催化作用在化学工业中具有广泛应用，以下是几个典型的应用实例：1. 催化裂化反应：在石油加工中，催化剂被广泛应用于裂解合成气体、乙烯和丙烯等重要化学品的制备过程中。
2. 催化加氢反应：在炼油和化学品制造中，催化剂被用于将烯烃转化为饱和烃，或将酮、醛等氧化物还原为相应醇或醚的反应中。
第二章催化作用原理
本科课程讲义
sfsong
工业催化导论
多位理论对双位催化剂提出了模型，并认为最重要的能量因素是反应热（E ）和
活化能（E） ，两者都可从键能求得
AB CD AD BC
K
K
K
AD
BC K
（ a）
E' A D E' ' A D
BC
K （M）
BC
K （b）
吸附后生成表面活化络合物，放出能量 E（ 放热为正）
|
—M——M———M
|
|
CH3 |
M—M—M || |
—
+H2O
R |
C=O
—M—
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工业催化导论
5 催化循环
催化反应过程中一方面催化剂促使反应物分子活化，另一方面又保证催化剂的再
生，此循环过程称为催化循环，这是催化反应的必要条件。
乙烯在Ni催化剂上加氢：C2H4+H2→C2H6
Rideal-Eley机理(R-E)
Langmuir- Hinshelwood机理(L-H)
C C +2K(催化剂)
C— C ||
+H2（气相）
KK
C— C
||
KK
H
C— CH + |
|
K
K
C— CH + H2 | K
2H—K
C2H6 + HK 2K + H2
C C +2K
H2 + 2K
C— C
||
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工业催化导论
2 催化作用理论的发展
中间化合物理论：反应物与催化剂生成中间化合物，再变为产物 过渡态理论：反应物分子与催化剂表面活性中心吸附形成吸附活化配合物，
催化作用原理讲解
催化作用原理讲解催化作用是指在化学反应中，通过催化剂的作用加速化学反应速率的现象。
催化剂是指在化学反应中，能够改变反应速率但自身不参与反应的物质。
催化剂能够通过多种方式提高反应速率，包括改变反应物的活化能、提供可用的反应通道、增加反应物之间的有效碰撞等。
活化能是指反应物转变为中间态的能量差。
在没有催化剂的情况下，多数反应需要克服较高的能垒，即活化能才能发生。
而催化剂通过降低反应物的活化能，使反应物更容易转变为中间态，进而降低反应的能量要求。
第一章：催化作用与活化能降低催化剂通过提供一个比反应物自身能量更低的反应通道，使反应物更容易转化为中间态。
这个反应通道通常涉及催化剂和反应物之间的化学键和能量转移。
通过提供更低的能量通道，催化剂降低了反应物转化为中间态所需的活化能。
同时，催化剂还能通过物理吸附增加反应物之间的有效碰撞。
这样一来，由于活化能减小，反应物更容易发生反应，反应速率也相应加快。
第二章：催化剂与反应中间态形成在部分反应中，催化剂直接参与了反应中的化学键断裂和形成，形成了反应中间态。
催化剂与反应物之间的相互作用能够在活化过程中改变能量障壁，并加速反应。
催化剂表面的活性位点能够与反应物形成键，从而改变反应物的结构和电子状态。
这种键的形成会增加反应物之间的特定取向的有效碰撞概率。
催化剂在反应过程中可以周期性地进行键的断裂和生成，以促进反应的进行。
在反应完成后，催化剂会重新释放出来，准备参与下一轮的反应。
总结起来，催化作用原理包括两个关键方面：活化能的降低和反应通道的改变。
催化剂通过提供能量更低的反应通道，使反应物更易于转化为中间态，从而降低了反应的能量要求。
同时，催化剂与反应物之间的相互作用能够改变反应物的结构和电子状态，从而促进反应的进行。
催化剂的选择和设计，通过理解催化作用原理，可以提高反应的速率和选择性，从而在化学工业和环境保护中有重要应用。
催化作用原理
催化作用原理催化作用是化学反应中一种常见且重要的现象。
通过催化剂的存在，可以在反应速率和能量消耗方面起到显著的促进作用。
本文将介绍催化作用的原理，并探讨几个典型的催化反应案例。
一、催化作用的定义和基本原理催化作用是指通过添加催化剂来调控化学反应的速率，而不改变反应的终态和平衡位置。
催化剂是一种能够降低反应活化能并提高反应速率的物质。
催化剂在反应进行中不参与反应，因此在反应结束后可以被重新使用。
催化作用的基本原理涉及两个关键概念：活化能和反应中间体。
活化能是指反应在进入过渡态时所需要的能量，而反应中间体则是反应过程中的临时生成的物质。
催化剂通过与反应物发生相互作用，可以降低反应物的活化能，并稳定反应中间体。
这样一来，反应可以更容易地发生，并且反应速率得以提高。
二、催化作用的类型和机理催化作用可以分为两种类型：正常催化和自催化。
正常催化是指催化剂与反应物之间存在化学反应，生成新的物质，并参与到反应机制中。
自催化则是指催化剂本身就是反应物之一，通过反应生成中间体，然后再与其他反应物反应。
催化作用的机理主要有三种：表面反应机理、中间体机理和溶解催化机理。
表面反应机理是指催化剂在表面上与反应物之间发生化学反应，并生成反应产物。
中间体机理则是指催化剂与反应物之间形成中间体，然后再发生反应生成产物。
溶解催化机理则是指催化剂在溶液中与反应物形成络合物，调节反应速率。
三、典型催化反应案例1. 铂金催化剂在汽车尾气净化中的应用汽车尾气中的一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）是环境中的污染物。
铂金催化剂能够催化CO和NOx与氧气（O2）反应生成二氧化碳（CO2）和氮（N2），有效净化尾气。
2. 马弗炉中的催化作用马弗炉是一种用于合成氨的重要装置。
在马弗炉中，铁铝石催化剂通过吸附和解离氢气（H2）和氮气（N2），促进氢气和氮气的反应生成氨气（NH3），实现高效合成氨的过程。
3. 催化裂化反应在石油加工中的应用催化裂化反应是石油加工中常用的方法之一，用于将高碳烃转化为低碳烃。
《催化作用原理》课件
要点二
详细描述
智能催化与人工酶是未来催化科学与技术的重要发展方向 。通过结合智能技术和生物酶的催化机制，设计具有优异 性能的智能催化剂和人工酶。这将有助于解决一些传统催 化方法难以解决的问题，提高催化反应的效率和选择性。
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详细描述
通过建立动力学模型，可以定量描述反应速 率与反应物浓度、温度等参数之间的关系。 这有助于优化反应条件，提高催化效率。
总结词
反应机理研究方法是探索催化反应如何 发生的重要手段，对于催化剂设计和性
能改进具有指导意义。
详细描述
常用的反应机理研究方法包括同位素示踪法、中间体捕获和红外光谱等。这些方法有助于揭示反应过程中的关键 步骤和中间产物，为催化剂的优化提供理论支持。
催化剂的选择性
总结词
催化剂的选择性是指催化剂对反应物转化为目标产物的选择性，即目标产物在所有产物 中的比例。
详细描述
催化剂的选择性对工业催化过程至关重要，可以提高目标产物的产率和纯度，降低副产 物的生成。影响催化剂选择性的因素包括催化剂的组成、结构、表面性质以及反应条件
等。
催化剂失活与再生
总结词
化工生产中的催化过程
乙烯的合成
通过催化剂的作用，将乙醇转化 为乙烯，是化工生产中重要的原
料。
丙烯腈的合成
通过催化剂的作用，将丙烯和氨转 化为丙烯腈，是重要的合成材料。
苯酚的合成
通过催化剂的作用，将苯和甲醛转 化为苯酚，是重要的化工原料。
环境治理中的催化过程
汽车尾气的催化转化
通过催化剂的作用，将汽车尾气中的有害物质转化为无害物质， 降低空气污染。
03
催化剂的活性与选择性
催化剂的活性
化学动力学中催化剂的作用原理
化学动力学中催化剂的作用原理在化学动力学领域中，催化剂是一种能够加速化学反应速率的物质。
催化剂在反应中起到了至关重要的作用，它们能够提供新的反应途径，使得化学反应在较低的能量下进行。
本文将探讨催化剂的作用原理以及它们在化学动力学中的应用。
催化剂的作用可以通过以下几方面来解释。
首先，催化剂能够降低化学反应的活化能。
活化能是指在反应中需要克服的能垒，催化剂通过吸附反应物分子并提供合适的反应环境，使这些分子能够更容易地达到活化能。
换言之，催化剂提供了一种更低能量的反应途径，使得反应在较低的温度下发生，从而节省能量。
其次，催化剂能够改变反应机理。
在某些反应中，反应物需要经历多个中间步骤才能生成产物。
催化剂通过提供新的反应途径或改变反应物分子的构象，使得反应能够更快速地进行。
通过调整反应的中间步骤，催化剂可使得反应的速率得以提高。
催化剂的第三个作用是提供反应表面。
催化剂常常具有较大的比表面积，因此能够提供充足的反应表面，使反应物能够更容易地吸附到催化剂表面并与其发生反应。
这种吸附过程有助于有效地提高反应速率，并使反应物更容易与其他反应物接触。
此外，催化剂还能够降低反应的选择性。
在某些情况下，反应生成多种产物，其中某些产物可能是非期望的或具有有害性。
催化剂可以选择性地催化特定的反应途径，以减少或排除非期望产物的生成。
通过催化剂的选择性作用，可以提高反应的制备纯度和产物产率。
催化剂广泛应用于化学工业中的各个领域。
其中一个重要领域是石油化工。
石油中的原油经过催化裂化、加氢、重整等反应来制造汽油、柴油和液化石油气等产品。
催化剂在这些反应中起到了至关重要的作用，可以提高产物产率和产品质量。
此外，催化剂还应用于制药工业。
例如，合成某些药物需要进行多步骤的化学反应，催化剂的作用可以显著提高合成反应的速率和产物产率，从而降低生产成本。
在环境保护方面，催化剂也发挥着重要的作用。
催化剂可用于车辆尾气处理，其中在催化转化器中的催化剂能够将车辆尾气中的有害气体转化为无害物质。
催化剂的反应原理
催化剂的反应原理
催化剂是一种可以增加反应速率并降低活化能的物质。
它通过提供一个不同于反应物自身所需的反应路径，来促进化学反应的进行。
催化剂通常与反应物一起存在，并且在反应过程中经历了循环反应。
在反应开始时，催化剂首先与反应物发生吸附，形成催化剂-反应物复合物。
随后，在催化剂的作用下，反应物发生了比在缺乏催化剂的情况下更容易的反应。
最后，反应产物与催化剂解离，使催化剂可以重新参与到下一轮反应中。
催化剂可以通过多种方式促进反应。
其中一种方式是提供一个更有利的反应环境。
例如，催化剂可以通过吸附和分散反应物分子，使其更容易接近并相互作用。
此外，催化剂还可以通过调整反应物的电子结构，使其更易于发生化学反应。
此外，催化剂还可以调整反应物分子之间的空间排列，从而促进反应。
催化剂选择的成功与否取决于其与反应物之间的相互作用。
催化剂应该能够与反应物形成牢固的化学键并提供一个稳定的催化剂-反应物复合物。
此外，催化剂还应该具有足够的活性，以降低反应的活化能。
总之，催化剂通过提供一个更有利的反应环境和改变反应物的电子结构等方式来促进化学反应。
它能够降低反应的活化能并加快反应速率，从而在工业和生物领域中起到重要的作用。
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2.3 Current Trends in Applied Catalysis Auto-Exhaust Catalysts (Three-way catalysts)
Pt-Rh/CeO2-Al2O3/Mg2Si5Al4O18
The effects of air/fuel ratio on the emission in auto-exhaust of HC, NO, and CO
一些工业催化过程
催化反应 合成氨 催化裂解 催化重整 乙烯水和 乙烯氧化 二氧化硫氧化 氨氧化 丙烯氨氧化 丙烯聚合 乙炔选择加氢 甲烷化 F-T合成
催化剂 Fe-Al2O3-K2O SiO2-Al2O3，沸石 Pt， Pt-Re H3PO4/硅藻土 PdCl2-CuCl2 V2O5/硅藻土 Pt P-Mo-Bi系 -TiCl3-AlEt3 Pt/Al2O3 Ni/Al2O3 Fe，Co，Ni
1923年: BASF公司, 建成合成气制备甲醇的工厂(400C, 200bar,Zn-Cr Oxides为催化剂);
1937年: Union Carbide公司, 商业化银催化的乙烯环氧化制 环氧乙烯;
Late 1930s: 催化裂化(catalytic cracking)
Fixed-bed catalytic cracking reactors
加氢脱硫/加氢脱氮: Co/MoS2, Ni/WS2 supported on Al2O3; 氢源技术: catalytic hydrocarbon reforming & catalytic
steam-reforming 烃类的选择脱氢/选择氧化 烯烃的歧化反应 烯烃的聚合反应: Ziegler-Natta 催化剂(TiCl3/MgCl2)
2.4 21世纪催化面临的挑战
A selection of environmental challenges:
Development of “zero-waste” processes Minimization of hazardous products and “greenhouse” gases Replacement of corrosive liquid acid catalysts by benign solid acid catalysts Evolution of sustainable systems Reduction in volume of by-product Development of processes requiring less “consumption” of catalysts Elimination of voluminous by-products
molecularly crosslinked enzyme conjugate (c)(c) Adsorbed enzymepolymer conjugate (d)(d) Polymer latticeentrapped enzyme conjugate (e)(e) Microencapsulated enzyme
1879年: Bertholet, 研究酸催化的有机酸酯化和酯水解, 发现催化 剂不影响化学平衡;
1900年左右: 催化加氢反应:
foodstuffs
Oils, fats & waxes
Ni-based catalysts
vitamins medicines, soap……
1909年7月2日: Fritz Haber, 利用还原过的Fe3O4为催化剂, 在高压反应装置由N2和H2合成出大量的氨气(BASF工 业化) ;
过渡金属：催化加氢-脱氢 酸性载体：异构化
Pt/Al2O3 dual-function catalyst MCP: methylcyclopentane He: n-hexane i-He: isohexane CH: cyclopentane CHde: cyclohexadiene B: benzene
1960年: 烷烃异构化 1964年: 催化裂化 1974年起: ZSM-5广泛用于
MTG (methanol to gasoline) Xylene isomerization……
HR-TEM of ZSM-5lysts)在催化重整和异构 中的应用 双功能催化剂组成：分散在酸性载体上的过渡金属
得炽热; 1824年: Henry, 发现第一个催化剂中毒现象: 乙烯能够抑制H2
和O2在Pt上的反应; 同时他也注到氢气,CO,甲烷在氧气中得 选择氧化; 1824年: Döbereiner, 商业化的催化反应-”tinderbox”; 1834年: Michael Faraday研究了铂片对氢气氧化反应的影响;
2019年美国化学会联合4家相关协会在制定“2020年技 术展望：美国化学工业”里充分肯定了催化的重要性，
并且由于催化在化学工业中决定性的作用，对催化进行 了专门阐述“2020催化展望报告”。 2019年，IUPAC组织编写的《21世纪的化学丛书》中将 《催化展望》列为丛书的第一部。
2019年3月,美国能源部组织其下属的基础能源科学研究 领域的科学家，就催化科学的发展方向举行研讨会，并 发表了研讨结果；2019年5月再次举行催化科学研究方 向研讨会，并基于研讨会的结果于2019年在其西北太平 洋国家实验室（PNNL）成立界面催化研究所 （/），进行多学科交叉的催化研究来应付面 临的能源领域的挑战。
2019年3月，《science》杂志刊出了以催化为主题的专 栏[7]。
二、催化的过去, 现在和将来
催化的发展：实践---理论---实践---
2.1 History before 1940
1834年: Berzelius, 引入”catalysis”术语; 1814年: Kirchhoff, 发现酸能催化淀粉水解; 1817年: Humphry Davy, 置于空气和煤气混合物的热铂丝会变
and reactants from catalysts
Immobilized Enzymes and Cells
Schematic representations of Immobilized enzyme systems: (a)Covalently bonded
enzyme-Polymer conjugate (b)(b) Covalently bonded inter-
催化作用原理
授课老师：黄伟新
联系方式：激光小楼一楼 ３６００４３５(办公室) /~huangwx
参考书目
• <<催化作用基础>> 李荣生,甄开吉,王国甲 编著 • <<催化化学>> 吴越 著 • <<催化化学导论>> 韩维屏 等 著 • <<Handbook of Heterogeneous Catalysis>> Edited by G.
A selection of technological challenges:
Reformulated transport fuels Development of catalytic automobiles operating on methanol dissociation Single-step synthesis of desirable products Development of processes using CO2 as reactants Cheaper and safer methods of generating hydrogen New catalytic membranes Fischer-Tropsch catalysts for sharply defined reaction products Efficient, safe methods of generating hydrogen peroxide (from H2 and O2) Engineered proteins for pharmaceutical use
Catalytic Antibodies (催化性抗体)
Ribozymes (催化性RNA)
概念上的突破, 表明生物体系 中除了酶有催化活性,其它的 生物大分子也能够催化一些 特定的化学反应.
Catalytic Oxidation of Methane: the Centrepiece of Future Power Sources (1) Catalytic combustion of methane (2) Partial oxidation of methane (POM) (3) Oxidative coupling of methane (OCM) (4) Methane Dehydroaromatization
Ertl, H. Knözinger, J. Weitkamp
第一章 绪论
一、催化科学的重要性
催化(catalysis)：催化科学，催化技术和催化作用。 催化科学：研究催化作用的原理 催化技术：催化作用原理的具体应用
催化技术是现代化学工业，环境保护的支柱。 “The economic contribution of catalysis is as remarkable as the phenomenon itself. Approximately one third of material gross national product in the US involves a catalytic process somewhere in the production chain. Confining analysis to the chemical industry, the proportion of processes using catalysts is 80% and increasing.” Chemistry & Industry, Jan 21, 2019, Page 22