能源、环保与催化

能源与催化参考资料
1.催化剂催化作用
催化剂是加快或减慢所对应的化学反应速率，却不改变化学反应热力学平衡位置，而自身质量和化学性质在化学反应前后没有发生变化的试剂。

当催化剂的作用是加速反应速率时，称为正催化剂。

当催化剂的作用减慢反应速率时，称为负催化剂或阻化剂。

催化作用：在催化剂参与下的化学反应。

在催化反应中，催化剂与反应物发生化学作用，改变了反应途径，从而降低了反应的活化能，提高了反应速率，这个过程就是催化作用。

（反应物先和催化剂结合成中间物种，再转变为催化剂和产物结合的中间物种，当这一暂存的催化剂-产物暂存体解体后，就可以重新得到催化剂以及产物。

这就是催化反作用的本质。

）
2.催化剂的组成
四部分：主催化剂，共催化剂，助剂，载体
A：主催化剂（主活性组分）: 在催化剂中产生活性的组分, 没有它Cat.就没有活性。

如：SO2氧化Cat，为V2O5-K2O-CaO/SiO2，加入K2O、CaO可提高Cat.活性, 但无V2O5, Cat.无活性.
B：共催化剂：即和主催化剂同时起作用的组分。

如：CuO-ZnO-Al2O3, CuO有好的活性，ZnO有活性，两者结合起来活性最好，所以ZnO为共催化剂。

C：助催化剂：（助剂，促进剂）本身无活性或活性较小，加入少量后，可大大提高Cat.的活性、选择性、寿命、稳定性等性能的物质。

D：载体：担载活性组分和助剂的物质。

足够机械强度、多孔性的物质，活性组分和助剂分散在上面。

3.物理吸附与化学吸附的区别与联系
物理吸附是被吸附的流体分子与固体表面分子间的作用力为分子间吸引力，即所谓的范德华力。

因此，物理吸附又称范德华吸附，它是一种可逆过程。

化学吸附是固体表面与被吸附物间的化学键力起作用的结果。

这类型的吸附需要一定的活化能，故又称“活化吸附”。

表2-2 物理吸附与化学吸附的区别
联系：两类吸附可以同时相伴发生，不能认为某一吸附只有化学吸附而没有物理吸附，反之亦然。

另外两类吸附的吸附热都可以用克劳修斯—克拉贝龙公式来计算。

4.汽车尾气的组成（汽油发动机）及三效催化剂（TWC）
汽车尾气（汽油发动机）的组成：CO，NO X，HC和铅(如果使用含铅汽油)，PM(细微颗粒物)，CO2，H2，O2，H2O，N2。

其中碳氢化合物(CnHm)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)。

这三种物质对人体都有毒害，其中CnHm及NOx在阳光及其他适宜条件下还会形成光化学烟雾，危害更大。

三效催化剂(英文名为Three-Way Catalyst)，简称TWC。

这种催化剂的特性是用一种催化剂能同时净化汽车尾气中的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(CnHm)和氮氧化物(NOx)，但为了发挥其催化性能，必须将空燃比经常控制在14.6±0.1附近，这种催化净化器具有较高的净化率，但需要有氧传感器、多点式燃料电子喷射、电子点火等闭路反馈系统相匹配。

这种催化净化器是利用尾气中的O2、NOx为氧化剂，CO、CnHm（以CH2为代表）和H2为还原剂，是三个化学反应的进行，其中有两个是还原反应，一个是氧化反应。

在理论空燃比附近可发生如下反应：
TWC反应方程式
5.车用尾气净化催化剂失活的原因
催化剂随着运转时间的延长,催化剂的活性会逐渐降低或者完全失去活性,这种现象叫做催化剂失活。

导致催化剂失活的原因归纳起来主要有：Pb、S及油品添加剂中的Zn、P等吸附在催化剂表面活性部位造成的催化剂中毒，催化剂积碳及高温导致的催化剂烧结而造成的比表面下降等。

催化剂失活（老化）的原因如下：
(1)高温：当温度高于900摄氏度时，涂层表面的还原和贵金属的烧结导致有效催化区域
的损失；
(2)不稳定操作：催化转化器内的温度骤变；
(3)中毒：存在某些污染物（如硫或磷等），污染了涂层以及贵金属，并堵塞活性位从而导
致活性催化区域的缩小。

催化剂失活的机理如下：
烧结：由于晶体生长而导致催化剂表面积变小。

孔道结构坍塌从而造成活化涂层区域的缩小；固固相迁移：由于化学变化而使催化剂的催化相变为非催化相
6.室内甲醛的主要来源及消除的途径
甲醛主要来自于家庭的建筑材料、室内装饰材料和生活用品等，如刨花板、纤维板、化
妆品、清洁剂、及墙壁、地面的装饰铺设用的粘合剂等，此外，一些地板油漆等也会释放甲醛。

主要消除途径有：尽量采用低甲醛含量和不含甲醛的室内装饰和装修材料；在选购家具等时，应选择刺激性气味较小的产品；装修后的居室不宜立即迁入，保持室内空气流通，合理控制调节室温等使甲醛挥发得会更快一些；也可在室内摆些花草来祛除有害气体或者请环境检测专家进行检测，以便采取相应的治理措施等。

7.化石能源
化石能源就是指从地下开采出来动植物的遗骸在地层下经过上万年的演变形成的化石能源，其中如煤(植物化石转化),石油(动物体转化)，天然气等都是化石能源
8.可再生性能源
是指不随本身的变化或被利用而日益减少的能源如风能、海洋能、地热能、太阳能、热核受控核聚变能和生物能等。

它们可以从自然界源源不断地得到补充。

9、气固多相催化反应的完成包括哪些步骤？
气固多相催化反应的完成包括以下步骤：
反应物自气流的主体穿过催化剂颗粒外表面上的气膜扩散到催化剂颗粒外表面（外扩散）；
反应物自外表面向孔内表面扩散（内扩散）；
反应物在内表面上吸附形成表面物种（吸附）；
表面物种反应形成吸附态产物（表面反应）；
吸附态产物脱附，然后沿与上述相反的过程，直到进人气流主体．
其中的吸附、脱附和表面反应为表面化学过程，而外扩散与孔内的扩散是传质过程．
气固多相催化反应的动力学具有以下两个特点：
反应是在催化剂表面上进行，所以反应速率与反应物的表面浓度或覆盖度有关．
由于反应包括多个步骤，因而反应动力学就比较复杂，常常受吸附与脱附的影响，使得总反应动力学带有吸附或脱附动力学的特征．有时还会受到内扩散的影响.
10、为什么说催化过程本质上是一个动力学过程
在催化反应中，催化剂与反应物发生化学作用，改变了反应途径，从而降低了反应的活化能，这是催化剂得以提高反应速率的原因。

如化学反应A+B→AB，所需活化能为E，加入催化剂C后，反应分两步进行。

A+C→AC
AC+B→AB+C
这两步的活化能都比E值小得多。

根据阿伦尼乌斯公式k=Ae-E/RT，由于催化剂参与反应使E值减小，从而使反应速率显著提高。

催化反过程中总的能量变化 H并没有改变(初态与终态没有改变)，提高了反应速率。

因此催化过程本质上是一个动力学过程
二：简述题
1.如何理解“氮的过量活化加速了全球环境的污染”这句话。

自然形态的惰性氮对生态环境并没有负面影响，但被活化，变成“活化氮”，在循环过程中就会污染环境。

一是加剧了温室效应。

氧化亚氮迁移至大气，产生的温室效应是二氧化碳的300倍，而且破坏臭氧层。

二是氮化物向水体迁移，造成水体富营养化，可能导致人体出现正血红蛋白症，对婴儿而言是致命的。

一氧化氮、二氧化氮还是酸雨的成分之一。

要点：自然状态的惰性氮（氮气）对生态环境并没有负面影响，但被活化，变成“活化氮”，
的作用。

2.简述“贫燃”--:“富燃”条件下TWC催化剂中CeO
2
在TWC催化剂中，Ce组元提供一种贮氧作用，即在“贫燃”（A/F>14.6）时氧过量的情况下贮氧，在“富燃”条件下释放氧，为“贫富”转换过程中氧浓度的急剧变化提供缓冲作用，从而避免了催化效率随尾气组成的变化而发生的大波动。

同时, 汽车尾气中含有约10%的水蒸气, CeO2可以促进水气转移反应, 提高NOx在“富燃”区的净化率。

在反应过程中，CeO2作为氧气缓冲器在贫燃（富氧）条件下储存过量的氧气和在富燃（贫氧）条件下释放氧气来氧化CO和HC。

3.氢气的制备方法、存储方式。

氢制备技术
a)化石能源制氢─煤与天然气制氢
b)二次能源制氢─核电、风电、太阳能发电电解水制氢
c)移动制氢─甲醇，二甲醚，液态烃类制氢
d)现场制氢─甲醇，二甲醚，液氨，液态烃类制氢
e)其他制氢途径─核能高温热裂解制氢，工业副产气回收氢，重油制氢
氢气储存可分为物理法和化学法两大类。

物理储存方法主要有液氢储存、高压氢气储存、活性炭吸附储存、碳纤维和碳纳米管储存、玻璃微球储存、地下岩洞储存等。

化学储存方法有金属氢化物储存、有机流言液态氢化物储存、无机物储存、铁磁性材料储存等。

4.氢燃料电池的工作原理；与现阶段广泛使用的燃油汽车相比较，燃料电池电
动汽车的优势所在？
氢燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。

使用氢气燃料电池的工作原理是把氢气输送到燃料电池装置，氢气在燃料电池中与氧气发生反应，产生电力。

用在氢燃料电池车上，电力则转化为汽车前进的动力。

这种未来新型汽车的污染排放量几乎为零，二氧化碳排放量则相对更低。

与传统汽车相比，氢燃料电池车的优势首先表现在高效耐用，其能效比汽油车提高近4倍，由于氢气里没有腐蚀性的杂质，没有碳阻塞燃烧室，燃料电池车很少需要维修。

5.目前我国的能源消费结构存在的问题。

我国能源资源短缺。

由于人口众多，随着国民经济的发展，能源开发利用量愈来愈多。

与此同时，我国的能源消费结构也存在很多问题：
A：能源需求压力大，供给短缺：随着我国经济的快速发展、不断变化的人口结构及经济结构的改革，能源消费猛增，需求压力大，特别是液体燃料短缺严重。

B：能源利用转化效率低：我国长期以来能源结构以煤为主，是造成能源效率低下、环境污染严重的重要原因。

C：能源配置结构不合理：我国的一次能源结构长期得不到优化，煤炭在一次能源中的比例居高不下，天然气、水电等清洁优质能源的比重很低。

除常规能源外，新能源资源，如核能、太阳能、地热能、风能、潮汐能等只构成我国当前发电能源的一小部分，许多新能源还处于试验发电阶段，有些刚刚起步。

D：能源生产隐性成本高，环境污染严重：过度依赖化石能源，给公众的健康和环境造成巨大损失。

大气质量下降，带来各种环境问题。

6.世界能源发展的趋势
A: 目前全世界能源总消费量约为130亿吨标准煤,化石能源占80%以上。

B: 工业国家能源消费经历由煤炭向优质能源（石油、天然气）转变，再进一步向可再生能源过渡。

C: 为实现可持续发展，欧洲、日本等正大力发展风电、太阳能、生物质能等可再生能源，每年增长率达30%以上。

D: 化石燃料高效、清洁开发和利用技术取得快速发展。

E: 可再生能源迅速发展。

F: 核能出现复苏迹象。

G: CO2近零排放成为煤炭利用的新方向。

H: 氢能将作为未来清洁能源的理想选择。

I: 电网安全和可靠保障引起重视。

随着人类科学技术水平的不断提高，能源发展的趋势逐渐表现为：1.技术含量高，成本持续下降，从而越来越优越于常规能源发电。

2. 发展速度加快，市场份额增加，表现为能源消费结构发展较快，新的能源结构形式逐渐取代旧的结构形式。

3.可再生能源已成为各国实施可持续发展的重要选择。

可再生能源由于其清洁、无污染、可再生，符合可持续发展的要求而受到现代国家的青睐，目前很多国家也都开始了利用风力发电和生物质发电等新能源逐步替代旧能源消费的战略目标。

7、甲烷制合成气的方法与途径
高温隔绝氧气时，甲烷和水会发生如下反应：
CH4+H2O===CO+3H2
CH4+2H2O===CO2+4H2
这是甲烷化反应的逆反应，是吸热反应。

CH4+H2O===CO+3H2这个反应生成的气体混合物是合成气,.此混合物还可以用碳和水反应制取:C+H2O=CO+H2(条件是高温)
8、煤的高效洁净利用及相关的CO
减排新技术
2
解：煤炭洁净加工技术是我国洁净煤技术的优先发展领域，主要包括选煤技术、配煤技术、型煤技术及水煤浆技术等。

煤炭高效利用主要包括电站锅炉技术、工业锅炉技术、工业窑炉技术、民用燃煤技术、煤炭气化技术、煤炭焦化技术、煤炭液化技术、煤炭热解技术及煤制活性炭技术等。

CO2减排技术：1.源头控制,节约能耗,提高能源利用率和转化率，选煤技术是实现煤炭高效、洁净利用的首选方案, 它主要利用物理、物理-化学等方法除去煤炭中的灰分和杂质,，通过选煤达到节煤, 同时提高燃煤的燃烧效率即可达到减少二氧化碳排放的目的。

其次, 洁净燃煤技术, 如循环流化床锅炉; 煤炭转化技术, 如煤炭气化和液化技术; 电力行业中煤电的整体煤气化联合循环技术( IGCC)等, 都是不错的提高能源利用率及转化率同时实现二氧化碳减排的方法。

2. 二氧化碳捕集与分离技术。

目前, 二氧化碳捕捉主要有3种技术路径: 1)燃后捕获, 从燃烧生成的烟气中分离二氧化碳; 2)燃前捕获, 又称氧气/二氧化碳燃烧技术或空气分离/烟气再
循环技术; 3) 富氧燃烧, 通过燃前脱碳即在燃烧前将燃料中的碳脱除。

3. 二氧化碳埋存及EOR技术：二氧化碳地质埋存包括3 个环节: 1) 分离提纯, 在二氧化碳排放源头利用一定技术分离出纯净的二氧化碳; 2) 运输, 将分离出的二氧化碳输送到使用或
埋存二氧化碳的地质埋存场所; 3) 埋存,将输送的二氧化碳埋存到地质储集层/构造或海洋中。

二氧化碳地下埋存主要的选择是枯竭的油气藏、深部的盐水储层、不能开采的煤层和深海埋存等方式。

EOR技术，使用常规方法采油, 将二氧化碳作为驱油剂可提高采收率10% ~ 15%。

4.其他技术：化学利用以二氧化碳为原料生产一些能耗低、附加值高、使用量大和能永久储存二氧化碳的化工产品。

生物固化一些水藻类浮游生物能够大量吸收二氧化碳,并将其转化为体内组织, 它还具有无需对二氧化碳进行预分离的特点。

含水层封存二氧化碳的容量巨大,，目前正在积极研究当中。

三：论述题
1.就“氢能将为国家实现能源多样化，保证能源安全和环境保护作出贡献”，
谈谈你对这句话的认识。

不久的将来，"氢经济社会"节省下石油、煤炭等化石燃料资源，基本废除内燃机动力系统，实现无污染排放，缓解温室效应，让环境更洁净、空气更清新。

同时，氢能的使用也会带动可再生能源设备：电解水设备、燃料电池、储氢器等一系列新兴制造产业，全面推动经济发展。

而核聚变电站、太阳能电站、风力电站及潮汐电站的发展又可以与氢能技术进一步结合，把人类利用能源的水平提高到新的水平。

总之，氢能的研究与开发有广宽的前景，随着氢能应用领域的逐步成熟与扩大，必然推动制氢方法研究与开发。

适合我国国情的廉价的氢源供应又将会进一步促进氢能的应用，为改善环境造福人民作出贡献。

氢能作为一种新的能源形式被越来越多人接受，多样化，缓解能源压力保证能源安全，并且氢能能与现在所有的能源系统匹配和兼容，能方便地转换成电和热，有较高的能源效率，可实现能源结构的平稳过渡，将来有可能实现不依赖化石能源的可持续循环。

能实现CO2的集中处理，成为无污染能源。

氢能的大量利用，对改善我国的能源结构，实现能源资源多样化，保障我国的能源安全将起积极的作用。

目前主要能源是煤和石油。

氢能可以代替煤和石油……
2.就能源与催化这一专题谈谈你的认识。

随着社会经济的发展和人口的增多，我国已经成为世界石油需求增长的引擎. 据国际能源署预测, 中国石油需求增长将占世界石油需求增长的1/3. 而我国的能源结构中, 煤炭占接近70%, 石油不到25%. 未来长期的能源资源瓶颈成为影响我国未来经济可持续发展、能源安全保障、和谐社会建设的严峻挑战. 在此基础上, 国家提出立足国内资源, 拓展国外资源, 提高能源利用效率, 加大新能源与可再生能源开发力度, 保障我国经济社会发展所需的能源需求. 随着石油储存量的减少,同时也为了减少环境污染, 探索一种既廉价又丰富的原料。

人类已经极其关注自己的生存环境,为了适应环境可持续发展的趋势,催化和环境友好将会被赋予更多更新的含义。

催化技术事关能源资源开发、转化与利用的方方面面, 是新能源与可再生能源开发的关键, 又是改善能源产品质量、提高能源利用效率的主要方式, 更是实现节能减排、资源循环利用的主要途径, 催化将在我国未来能源领域肩负非常关键的角色.
3.就能源消费结构与环境保护这一专题谈谈你的认识。

能源结构与环境问题密切相关。

1.化石能源优化利用。

提高能源转化效率。

油品深度加工与资源优化利用技术。

催化汽油改质和高辛烷值组分生产技术，包括脱硫、加氢异构化和芳构化新技术。

柴油深度脱硫和改质技术，包括加氢脱硫和非加氢（氧化脱硫和吸附脱硫等）技术。

液化石油气芳构化技术。

天然气的优化利用技术。

高效透氧膜材料与技术的研发。

廉价合成气制备催化剂与新技术。

二甲醚合成催化剂与新工艺技术集成。

F-T合成新集成工艺与新技术。

天然气制氢催化剂与新工艺和新技术。

高效透氢膜材料与技术；持续开发可再生能源与核能。

基于煤气化的多联产系统煤炭高效洁净利用多联产的关键技术。

多联产系统的耦合/集成/优化的核心技术。

喷射流外循环浆态床反应器的技术。

液体燃料合成的高选择性催化体系研制。

替代燃料（如含氧化合物）的高选择性催化体系研制
2.CO2减排技术。

分离、富集、输运和处理可行性途径的分析与评估。

风险评价，在理论和模拟实验上对方案进行优化与选择。

高效率的化石燃料制合成气（CO+H2）的技术开发。

二氧化碳化学合成经济化工产品的研究。

我国碳循环及综合排放体系的研究
3.CO2处理1. 吸附微藻和增强CO2固定化的中性混凝土的研究；2.大规模的CO2运输和深海掩埋；
3. 采用膜反应器的高级化石资源工艺中的CO2回收；
4. 控制温室气体的低成本生物涤气器；
5. 吸收和利用CO2的新体系；
6. 利用煤层吸收从煤层气中连续脱除回收CO2;
7.美国盐水湖掩埋CO2的最佳地质环境；
8. 深水区域处理CO2的实验评估；
9. 高温变压吸附PSA 工业生产气中吸收CO2；10. 降低温室气体排放的IGCC发电厂合成气和酸气中CO2的消除和回收； 11. 一套新的CO2分离系统；12. 吸收碳和最大甲烷排放控制的垃圾掩埋法。

4.解析“Toyota Technology for NOx Removal＂的两个图示
Reaction Steps for NOx Conversion: （1）Lean Conditions；（2）Rich Conditions
“富燃”操作时，CO和HC的转化因缺氧而难以进行；“贫燃”时，又因氧过量，消耗了还原剂CO和HC，使得NOx的转化困难。

三效催化剂的催化净化是在固体催化剂表面上进行的气固相反应，汽车尾气发生的主要化学反应如下：氮氧化物（NO X）的还原：
NO + CO = 1/2 N2 + CO2 NO + H2 = 1/2 N2 + H2O
一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）的氧化：
CO + 1/2 O2 = CO2 4HC + 5 O2 = 4 CO2 + 2 H2O
其它反应：
2HC + 4 H2O = 2 CO2 + H2 CO + H2O = CO2 + H2
5、就环境与催化这一专题谈谈你的认识
催化剂工业中的一类产品，用于借助催化作用来消除环境污染的工艺。

自20世纪70年代汽车排气催化净化技术商业化以后，此类催化剂与石油炼制催化剂、化工催化剂（包括石油化工催化剂和无机化工催化剂）并列为催化剂工业中的三大类产品。

环境保护用催化剂通常有较高的催化活性，能将浓度本来很低的污染物经催化转化为无毒物；能承受较高的作业负荷，以节约催化剂用量和治理污染的设备投资；能在室温或不太高的温度下作业，以减少治理污染所需的能耗。

被处理的气体，通常含有粉尘、重金属、含硫化合物、含氯化合物、酸雾等，因此要求催化剂的抗毒能力较强,化学稳定性好,具有足够的催化剂寿命。

有时，要求有良好的催化剂选择性不致因副反应所生成的产物造成二次污染。

在环境治理工程中，由于被污染物的组成、浓度、温度等常有变化,故要求催化剂能在较宽的反应条件下保持其效率,这与典型的化工生产中所用的催化剂而有所不同的。