催化剂的组成与功能
催化剂的作用与分类,如何制造催化剂
催化剂的作用与分类| 如何制造催化剂什么是催化剂？催化剂一般是指一种在不改变反应总标准吉布斯自由能变化的情况下提高反应速率的物质。
也可以表述为在化学反应里能提高化学反应速率而不改变化学平衡，且本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质。
催化剂的作用：催化剂的作用就是改变反应途径、降低或增加反应的活化能，能够加快或减慢化学反应的速度。
催化剂分类：催化剂种类繁多，按状态可分为液体催化剂和固体催化剂;按反应体系的相态分为均相催化剂和多相催化剂，均相催化剂有酸、碱、可溶性过渡金属化合物和过氧化物催化剂。
多相催化剂有固体酸催化剂、有机碱催化剂、金属催化剂、金属氧化物催化剂、络合物催化剂、稀土催化剂、分子筛催化剂、生物催化剂、纳米催化剂等;按照反应类型又分为聚合、缩聚、酯化、缩醛化、加氢、脱氢、氧化、还原、烷基化、异构化等催化剂;按照作用大小还分为主催化剂和助催化剂。
1.均相催化催化剂和反应物同处于一相，没有相界存在而进行的反应，称为均相催化作用，能起均相催化作用的催化剂为均相催化剂。
均相催化剂包括液体酸、碱催化剂和色可赛思固体酸和碱性催化剂、可溶性过渡金属化合物(盐类和络合物)等。
均相催化剂以分子或离子独立起作用，活性中心均一，具有高活性和高选择性。
2.多相催化多相催化剂又称非均相催化剂，用于不同相（Phase）的反应中，即和它们催化的反应物处于不同的状态。
例如：在生产人造黄油时，通过固态镍（催化剂），能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪。
固态镍是一种多相催化剂，被它催化的反应物则是液态（植物油）和气态（氢气）。
一个简易的非均相催化反应包含了反应物（或zh-ch:底物;zh-tw:受质）吸附在催化剂的表面，反应物内的键因断裂而导致新键的产生，但又因产物与催化剂间的键并不牢固，而使产物脱离反应位等过程。
现已知许多催化剂表面发生吸附、反应的不同的结构。
3.生物催化酶是生物催化剂，是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的有机物（绝大多数的蛋白质。
催化剂的功能
催化剂的功能催化剂的功能催化剂是一种能够加速化学反应速率的物质，它可以在反应中被使用，但是不会被消耗。
催化剂的作用是降低反应物之间的能量阈值，从而使得反应更容易发生。
在很多实际应用中，催化剂发挥着至关重要的作用。
本文将对催化剂的功能进行详细介绍。
一、提高反应速率催化剂最主要的功能就是提高反应速率。
它可以通过降低反应物之间的能量阈值来加速反应过程。
在没有催化剂存在时，许多重要的化学反应需要很长时间才能完成。
但是，在添加了适当的催化剂之后，这些反应可以在较短时间内完成。
例如，在工业上生产硫酸时，通常使用铜作为催化剂。
硫酸生产过程中需要氧气和二氧化硫参与反应，并且需要高温下进行。
如果没有铜作为催化剂存在，这个过程可能需要几个小时才能完成。
但是，在添加了铜之后，这个过程只需要几分钟即可完成。
二、改变选择性另一个重要的功能就是改变反应的选择性。
催化剂可以影响反应物之间的相互作用，从而改变反应的路径和产物。
这种选择性控制使得催化剂在合成化学、生物化学和材料科学等领域中都有着重要的应用。
例如，在工业上生产乙烯氧化丙烯酸时，通常使用钼酸铵作为催化剂。
如果没有催化剂存在，乙烯氧化会产生大量的二氧化碳和水，而且反应速率很慢。
但是，在添加了钼酸铵之后，乙烯氧化会产生更多的丙烯酸，并且反应速率也会显著提高。
三、提高反应选择性催化剂还可以提高反应选择性。
它可以通过控制反应物之间的相互作用来促进特定类型的反应，并抑制其他类型的反应。
这种选择性控制对于合成具有特定结构或功能分子非常重要。
例如，在工业上生产环己酮时，通常使用硫酸为催化剂。
如果没有催化剂存在，环己酮会被进一步氧化为环己二酮或者其他不需要的产物。
但是，在添加了硫酸之后，环己酮可以被选择性地氧化为己二酸，从而提高了反应的选择性。
四、降低反应温度催化剂还可以降低反应温度。
在很多情况下，高温下进行的化学反应会导致产物不稳定或者不纯。
但是，在添加适当的催化剂之后，这些反应可以在较低的温度下进行，从而避免了这些问题。
《工业催化》第2章催化剂与催化作用
13
催化剂只能催化热力学上可行的化学反应
化学反应在给定的条件下能否进行的热力学判 据是反应的Gibbs自由焓变数值的正负关系，即仅有 当 r G 0时，反应在该条件下才是热力学上可行的 [例] 石墨和金刚石都是由碳元素组成，但化学结构 不同，是两种性质相差很大的化学物质。一般条件 下石墨很难转化为金刚石 （什么条件下石墨可以转化为 金刚石？），所以不要期望通过寻找高效催化剂在一 般条件下实现石墨向金刚石的转变 更不要指望，通过使用催化剂来实现“水变油” 或“点石成金”等不切实际的想法
14
催化剂只能改变化学反应速率，而不能改变
化学平衡的位置
对于可逆反应，
k正 Kf k逆
根据微观可逆原理，假如一个催化反应是可逆 的，一种加速正反应速率的催化剂，则也应以相同 的比例加速逆反应速率，以保持Kf不变
对选择催化剂很有用。例如，由合成气合成甲醇，或 由氢、氮合气合成氨，直接研究正方向反应需要高压设 备，不方便也不经济，故早期研究中利用常压下甲醇分 解反应、氨分解反应，初步筛选相应的合成用催化剂。
常见的助催化剂
作用功能 减缓活性组分结焦，降低酸度 促进活性组分的酸度 间隔活性组分，减少烧结 促进活性组分对CO的氧化 促进载体的酸度和热稳定性 降低氢解和活性组分烧结，减少积炭 促进C-S和C-N氢解 促进MoO3的分散 促进脱焦 阻止Cu的烧结，提高活性
25
助催化剂 K2 O HCl MgO
SiO2、ZrO2、P 促进载体的热稳定性
11
催化作用改变反应历程意味着：
I. 催化剂参与反应物之间的化学反应； II.通过反应历程的改变使化学反应所需克服的 能垒(活化能)数值大为降低
催化剂的组成与功能
催化剂的组成取功能之阳早格格创做催化剂的组成：活性组分载体帮催化剂催化剂组分取功能闭系：一、活性组分它是催化剂的主要组分，偶尔由一种物量组成，偶尔由多种物量组成如：乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂；丙烯氨氧化制丙烯腈用的钼战铋催化剂活性组分的分类:二、载体载体是催化剂活性组分的分别剂、粘合剂战收撑物，是背载活性组分的骨架.比圆，乙烯氧化制环氧乙烷催化剂中的Ag便是背载正在“α—Al2O3上的，那里的α—Al2O 3称为载体.载体还常分为惰性载体取活性载体.庄重去道，催化剂中的组分皆没有是惰性的，皆对于主剂取帮剂有所效率，只没有过活性载体的效率更为明隐而已.载体的效率取帮催化剂的效率正在很多圆里有类似之处，分歧的是载体量大，帮催化剂量小；前者效率较慢战，后者较明隐.其余，由于载体量大，可给予催化剂以基础的物理结构取本能，如孔结构、比表面、宏瞅形状、板滞强度等.别的，对于主催化剂战帮催化剂起分别效率，更加对于贵金属既可缩小其用量，又可普及其活性，落矮催化剂成本.动做下效催化剂，活性组分取裁体的采用皆非常要害.底下是载体的分类战部分罕睹载体的种类：催化剂的活性随载体比表面的减少而减少，为赢得较下的活性，往往将活性组分背载于大比表面载体上.载体取催化剂的活性、采用性、热宁静性、板滞强度以及催化历程的传播个性有闭，果此，正在筛选战制制劣良的催化剂时，需要弄浑载体的物理本量战它的功能.催化剂组分取含量的表示要领：比圆：合成氨催化剂Fe—K2O—Al2O3用“—’将催化剂中的各组分开启：加氢脱硫催化剂Co—Mo/α—Al2O3，斜线上为主剂战帮剂，斜线下为载体.各组分的含量可用沉量％、沉量比表示，也可用本子％、本子比表示.载体的功能：提供灵验的表面战相宜的孔结构⏹巩固催化剂的板滞强度⏹革新催化剂的传导性⏹缩小活性组分的含量⏹载体提供附加的活性核心⏹活性组分取载体之间的溢流局里战强相互效率理念的催化剂载体应具备的个性能符合某一特定反应的形状；有脚够的抗破碎强度；有脚够的反应表面战符合的孔结构；有脚够的宁静性，包罗活性宁静性取热宁静性；导热、热容量及堆稀度适中；没有含使催化剂中毒的物量；本料易得，载机制备历程烦琐.三、帮催化剂定义：加进少量的某种物量，不妨隐著革新催化剂效能，包罗活性，采用性取宁静性战寿命等.它是通过改变催化剂的化教组成、化教结构、离子价态、酸碱性、晶格结构、表面结构、孔结构、分别状态、板滞强度等去普及催化剂的本能.帮催化剂的分类：（1）结构型帮催化剂（2）电子型帮催化剂：（3）晶格缺陷型帮催化剂：使活性物量晶里的本子排列无序化，删大晶格缺陷浓度去普及催化剂的催化活性.第（2）、（3）类也合称为调变性帮催化剂结构型帮催化剂：效率：普及活性组分的分别性战热宁静性.本理：能使催化活性物量粒度变小、表面积删大，预防大概延慢果烧结而落矮活性等，工业催化历程常常正在几百度的条件下举止，本本没有宁静的微晶简单烧结，果而引导催化剂的活性下落.而帮催化剂的加进不妨遏止大概减慢微晶的删少速度，进而延少催化剂的使用克日.比圆：合成氨的铁催化剂，加进少量的Al2O3电子型帮催化剂：效率：改变催化剂活性物量的结媾战化教组成，促进催化活性采用性.本理：催化剂活性组分的空d轨讲能交受帮催化剂提供的电子，改变了活性组分的电子结构，普及了催化剂的活性战采用性；大概死成新的晶相，大概者也大概爆收大概删加催化剂中晶相大概微晶间活性界里的数目.进而普及活性大概采用性.比圆：Fe－Al2O3中加进K2O罕睹帮催化剂举例：。
2、第二节催化剂的组成与功能
3、载体： 它可以起增大表面积，提高耐热性和机 械强度的作用。 将活性组分、助催化剂组分负载与载体 上所制得的催化剂，称为负载型催化剂。
载体可分为低比表面、高比表面和中比表面三 类。 比表面：物体的表面积与体积之比称为比表面 积。
催化剂的孔径分布及内部结构
4、其他 ①稳定剂 氧化铝、氧化镁、氧化锆等难还原的耐 火氧化物，通常作为一些易烧结催化组分 的细分散态的稳定剂。 ②抑制剂 如果在主催化剂中添加少量的物质，便 能使前者的催化性能适当降低，甚至在必 要时大幅度下降，则后者这种少量的物质 即称为抑制剂。
第二节 催化剂的组成与功能
一、催化剂的组成
活性组分： 化学活性
催化剂
助催化剂：对 活性组分/载 体改性
载体：高表面 积，孔结构， 机械强度等
1、活性组分： 它是催化剂的主要组成部分，催化剂的催化 活性由其体现。 组成可以使一种元素也可以是多种物质 主催化剂：起催化作用的根本性物质 共催化剂：和主催化剂同时起作用的组 分
非负载型金属催化剂 指不含载体的金 属催化剂，通常以骨架金属、金属丝网、 金属粉末、金属颗粒、金属屑片和金属蒸 发膜等形式应用。将具有催化活性的金属 和铝或硅制成合金，再用氢氧化钠溶液将 铝或硅溶解掉，形成金属骨架。典型的金 属面和适宜的孔结构。 维持组分高度分散是载体最重要的功 能之一。 2、增强催化剂的机械强度，使催化剂具有一 定的形状。 3、改善催化剂的传导性。 4、减少活性组分的分量。 5、载体提供附加的活性中心。
2、助催化剂： 是催化剂中具有提高主催化剂活性、选择性， 改善催化剂的耐热性、抗毒性、机械强度和寿命 等性能的组分。 按作用机理的不同一般区分为结构助催化剂， 电子助催化剂和晶格缺陷助催化剂。 ①结构助催化剂作用：提高活性组分的分散 性和热稳定性。 ②电子助催化剂作用：改变主催化剂的电子 结构，促进催化剂选择性。 ③晶格缺陷助催化剂作用：使活性物质晶面 的原子排列无序化，通过增大晶格缺陷浓度提高 活性。
催化剂的组成及功能
催化剂的组成及功能催化剂是一种可以加速化学反应速率的物质，但在反应结束时催化剂本身并不参与反应消耗，因此可被循环使用。
催化剂的组成及功能由其化学性质和结构决定，下面我们将详细讨论催化剂的组成和功能。
一、催化剂的组成：催化剂通常由活性位点、载体和促进剂三部分组成。
1.活性位点：活性位点是催化剂上参与反应的活性中心，其能够接受反应物，并通过中间产物形成最终产物。
活性位点通常是催化剂表面的一些原子、离子或分子团。
2.载体：催化剂的载体是催化剂活性位点的支撑结构，起到固定活性位点和提供特定反应环境的作用。
常用的载体有陶瓷、金属氧化物、活性炭等。
载体要求具有高的表面积、化学稳定性和强的吸附性能，以增加反应物与活性位点接触的机会。
3.促进剂：促进剂作用在催化剂和反应物之间，能够改变催化剂的化学性质，提高催化活性和选择性。
促进剂的添加能够增加催化剂表面的活性位点数量，改变表面酸碱性或电荷分布等，进而更好地促进反应的进行。
二、催化剂的功能：催化剂的功能是通过改变活化能降低反应速率，从而促进反应的进行。
催化剂主要有以下功能：1.提供活性位点：催化剂活性位点能有效吸附反应物，并改变反应活性络合物的能量状态。
活性位点可以通过多种方式提供，例如固体表面孤对电子、溶液中的配体以及金属中心等。
2.改变反应的速率限制步骤：催化剂能够降低反应活化能，从而加快反应速率。
当催化剂参与反应后，速率限制步骤可能发生变化，比如催化剂可以改变反应物之间的相互作用力，使反应物之间的键成为易断的，从而降低反应速率。
3.增加反应物的相互作用：催化剂通常能够尽可能地将反应物引导到活性位点上，提高反应物之间的相互作用几率，从而促进反应进行。
4.改变反应的选择性：催化剂的选择性是指在多种可能反应路径中选择最有利的路径。
通过适当选择催化剂的活性位点和载体材料，可以调节反应的选择性，从而得到更有利的产物。
5.解吸产物：催化剂能够有效解吸产物，以减少反应物与产物之间的竞争吸附，防止产物再次与反应物和催化剂发生反应，从而提高反应的转化率。
合成氨催化剂中各组分作用
合成氨催化剂是一种重要的化工催化剂，它可以在高压、高温和有氢气、氮气等物质存在的条件下，将氮气和氢气转化为氨气。
合成氨催化剂的主要成分包括铁、钴、镍、锌等金属元素和一些氧化物、硫化物等非金属元素。
下面介绍一下这些组分的作用：
- 铁元素：铁元素是合成氨催化剂中的主要活性成分，它可以在催化剂表面形成一层致密的金属氧化物膜，从而提高催化剂的催化活性和选择性。
铁元素还可以促进氮气和氢气的活化，促进反应的进行。
- 钴元素：钴元素可以促进氮气和氢气的活化，提高反应的速度和选择性。
钴元素还可以提高催化剂的抗毒性和稳定性，延长催化剂的使用寿命。
- 镍元素：镍元素可以促进氮气和氢气的活化，提高反应的速度和选择性。
镍元素还可以提高催化剂的抗毒性和稳定性，延长催化剂的使用寿命。
- 锌元素：锌元素可以促进氮气和氢气的活化，提高反应的速度和选择性。
锌元素还可以提高催化剂的抗毒性和稳定性，延长催化剂的使用寿命。
- 氧化物和硫化物：氧化物和硫化物是合成氨催化剂中的助剂，它们可以提高催化剂的催化活性和选择性。
氧化物和硫化物可以与金属元素形成一些复杂的化学键，从而提高催化剂的活性。
总之，合成氨催化剂中的各组分都有重要的作用，它们的相互作用可以提高催化剂的催化活性和选择性，从而提高合成氨的效率和质量。
第三章 催化剂与催化作用_金属氧化物催化剂
4. 金属氧化物硫化物及其催化作用
概述
金属氧化物催化剂组成：常为复合氧化物(Complex oxides)，
即多组分氧化物。 VO5-MoO3，Bi2O3-MoO3，TiO2-V2O5-P2O5，V2O5MoO3-Al2O3，MoO3-Bi2O3-Fe2O3-CoO-K2O-P2O5-SiO2 （即7组分的代号为C14的第三代生产丙烯腈催化剂）。
复合氧化物催化剂的结构
（2）钙钛矿结构 这是一类化合物，其晶格结构类似于矿物CaTiO3，是可用 通式ABO3表示的氧化物。A是一个大的阳离子，B是一个 小的阳离子。在高温下钙钛矿型结构的单位晶胞为正立方 体，A位于晶胞的中心，B位于正立方体顶点。此中A的配 位数为12,B的配位数为6.
结构要求：
复合氧化物催化剂的结构
任何稳定的化合物，必须满足化学价态的平衡。当晶格中
发生高价离子取代低价离子时，就要结合高价离子和因取 代而需要的晶格阳离子空位以满足这种要求。例如Fe3O4的 Fe离子，若按γ-Fe2O3中的电价平衡，晶体中有8/3的Fe3+， 1/3的阳离子空穴。阳离子一般小于阴离子。可以书写成
组分中至少有一种是过渡金属氧化物。组分与组分之间可
能相互作用，作用的情况常因条件而异。复合氧化物系常 是多相共存，如Bi2O3-MoO3，就有α、β和γ相。有活性相 概念。它们的结构十分复杂，有固溶体，有杂多酸，有混 晶等。
概述
金属催化剂作用和功能
有的组分是主催化剂，有的为助催化剂或者载体。主催
金属硫化物催化剂及其催化剂作用
硫化物催化剂的活性相，一般是其氧化物母体先经高温
熔烧，形成所需要的结构后，再在还原气氛下硫化。硫
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
催化剂的组成与功能
催化剂的组成：活性组分
载体
助催化剂
催化剂组分与功能关系：
一、 活性组分
它是催化剂的主要组分，有时由一种物质组成，有时由多种物质组成
如：乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂；丙烯氨氧化制丙烯腈用的钼和铋催化剂
2%
4%
6%
8%
10%
氨
含量
Mo的混合比
Mo-Fe合金组成与活性关系
活性组分的分类:
二、载体
载体是催化剂活性组分的分散剂、粘合剂和支撑物，是负载活性组分的骨架。
例如，乙烯氧化制环氧乙烷催化剂中的Ag就是负载在“α—Al2O3上的，这里的α—Al2O 3称为载体。
载体还常分为惰性载体与活性载体。
严格来说，催化剂中的组分都不是惰性的，都对主剂与助剂有所影响，只不过活性载体的作用更为明显而已。
载体的作用与助催化剂的作用在很多方面有类似之处，不同的是载体量大，助催化剂量小；前者作用较缓和，后者较明显。
另外，由于载体量大，可赋予催化剂以基本的物理结构与性能，如孔结构、比表面、宏观外形、机械强度等。
此外，对主催化剂和助催化剂起分散作用，尤其对贵金属既可减少其用量，又可提高其活性，降低催化剂成本。
作为高效催化剂，活
性组分与裁体的选择都非常重要。
下面是载体的分类和部分常见载体的种类：
催化剂的活性随载体比表面的增加而增加，为获得较高的活性，往往将活性组分负载于大比表面载体上。
载体与催化剂的活性、选择性、热稳定性、机械强度以及催化过程的传递特性有关，因此，在筛选和制造优良的催化剂时，需要弄清载体的物理性质和它的功能。
催化剂组分与含量的表示方法：例如：合成氨催化剂Fe—K2O—Al2O3用“—’将催化剂中的各组分隔开：加氢脱硫催化剂Co—Mo/α—Al2O3，斜线上为主剂和助剂，斜线下为载体。
各组分的含量可用重量％、重量比表示，也可用原子％、原子比表示。
载体的功能：
⏹提供有效的表面和适宜的孔结构
⏹增强催化剂的机械强度
⏹改善催化剂的传导性
⏹减少活性组分的含量
⏹载体提供附加的活性中心
⏹活性组分与载体之间的溢流现象和强相互作用
理想的催化剂载体应具备的特性
能适应某一特定反应的外形；
有足够的抗破碎强度；
有足够的反应表面和合适的孔结构；
有足够的稳定性，包括活性稳定性与热稳定性；
导热、热容量及堆密度适中；
不含使催化剂中毒的物质；
原料易得，载体制备过程简便。
三、助催化剂
定义：加入少量的某种物质，可以显著改善催化剂效能，包括活性，选择性与稳定性和寿命等。
它是通过改变催化剂的化学组成、化学结构、离子价态、酸碱性、晶格结构、表面结构、孔结构、分散状态、机械强度等来
提高催化剂的性能。
助催化剂的分类：
（1）结构型助催化剂
（2）电子型助催化剂：
（3）晶格缺陷型助催化剂：使活性物质晶面的原子排列无序化，增大晶格缺陷浓度来提高催化剂的催化活性。
第（2）、（3）类也合称为调变性助催化剂
结构型助催化剂：
作用：提高活性组分的分散性和热稳定性。
原理：能使催化活性物质粒度变小、表面积增大，防止或延缓因烧结而降低活性等，工业催化过程通常在几百度的条件下进行，本来不稳定的微晶容易烧结，因而导致催化剂的活性下降。
而助催化剂的加入可以阻止或减缓微晶的增长速度，从而延长催化剂的使用期限。
例如：合成氨的铁催化剂，加入少量的Al2O3电子型助催化剂：
作用：改变催化剂活性物质的结构和化学组成，促进催化活性选择性。
原理：催化剂活性组分的空d轨道能接受助催化剂提供的电子，改变了活性组分的电子结构，提高了催化剂的活性和选择性；可能生成新的晶相，或者也可能产生或增多催化剂中晶相或微晶间活性界面的数目。
从而提高活性或选择性。
例如：Fe－Al2O3中加入K2O
常见助催化剂举例：。