工业催化剂作用原理—固体酸碱催化剂讲课教案
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工业催化剂作用原理—固体酸碱催化剂
负载酸酸性主要来源于负载的液体酸，主要表现 为质子酸。
催化反应发生在液膜上，催化原理与均相酸催化 反应相同。
氧化铝
✓ 氧化铝是石油化工中常用的酸性载体或催化剂。 既有酸中心，又有碱中心，主要表现为L酸。
二氧化硅
SiO2表面活性基团为Si-OH和Si-OR两种，对催化剂制备 而言Si-OH尤为重要。
H0
pKa l
[BH] og
[B]
若[B[H B]]＝1，HO pKa，到达固体酸强度H0的等当点（理论交 变色 色点 点） ） 若[B[H B]]>1，HO pKa，指示剂呈酸型色 若[B[H B]]<1，HO pKa，指示剂呈碱型色
H0越小，酸性越强
注意：
指示剂有 不同名称
二肉桂醛缩丙 酮（别名：1， 9二苯基壬四 烯酮；二苯基 壬四烯酮，二 肉桂叉丙酮， 双亚肉桂基丙 酮，学名＝二 肉桂醛缩丙酮）
5.1 酸碱的定义和性质测定 5.2 固体酸碱的来源 5.3 固体酸碱与催化作用 5.4 分子筛催化剂
【酸碱电离理论】S.A Arrhenius(阿累尼乌斯)酸碱 ✓ 能在水溶液中给予出质子(H+)的物质称为酸。 ✓ 能在水溶液中给出羟基离子(OH-)的物质为碱称。 【酸碱质子理论】J.N.Bronsted对酸碱定义（B酸碱） ✓ 凡是能给出质子的物质称为B酸或质子酸 ✓ 凡是能接受质子的物质称为B碱或质子碱 【酸碱电子理论】G.N.Lewis定义（L酸碱） ✓ 所谓酸，乃是电子对的受体。如BF3 ✓ 所谓碱，则是电子对的供体。如NH3
固体表面酸性测定—红外光谱法
• 在200℃ 吸附吡啶后，由于吡啶分子被质子化，3640cm1吸收带消失，1540cm-1 吸收带出现，而小笼中的 3550cm-1 则基本上不受影响。这表明吡啶的吸附是有选 择性的。这是由于吡啶分子的动力直径较大，只能进入Y 型分子筛的大笼与OI-H作用，而不能进入较小的笼。因 此，这种吸附的选择性属于几何形状的选择性。从而可 用吡啶吸附的红外光谱，判断Y沸石大笼和小笼中的酸性 位。
催化反应发生在液膜上，催化原理与均相酸催化 反应相同。
氧化铝
✓ 氧化铝是石油化工中常用的酸性载体或催化剂。 既有酸中心，又有碱中心，主要表现为L酸。
二氧化硅
SiO2表面活性基团为Si-OH和Si-OR两种，对催化剂制备 而言Si-OH尤为重要。
H0
pKa l
[BH] og
[B]
若[B[H B]]＝1，HO pKa，到达固体酸强度H0的等当点（理论交 变色 色点 点） ） 若[B[H B]]>1，HO pKa，指示剂呈酸型色 若[B[H B]]<1，HO pKa，指示剂呈碱型色
H0越小，酸性越强
注意：
指示剂有 不同名称
二肉桂醛缩丙 酮（别名：1， 9二苯基壬四 烯酮；二苯基 壬四烯酮，二 肉桂叉丙酮， 双亚肉桂基丙 酮，学名＝二 肉桂醛缩丙酮）
5.1 酸碱的定义和性质测定 5.2 固体酸碱的来源 5.3 固体酸碱与催化作用 5.4 分子筛催化剂
【酸碱电离理论】S.A Arrhenius(阿累尼乌斯)酸碱 ✓ 能在水溶液中给予出质子(H+)的物质称为酸。 ✓ 能在水溶液中给出羟基离子(OH-)的物质为碱称。 【酸碱质子理论】J.N.Bronsted对酸碱定义（B酸碱） ✓ 凡是能给出质子的物质称为B酸或质子酸 ✓ 凡是能接受质子的物质称为B碱或质子碱 【酸碱电子理论】G.N.Lewis定义（L酸碱） ✓ 所谓酸，乃是电子对的受体。如BF3 ✓ 所谓碱，则是电子对的供体。如NH3
固体表面酸性测定—红外光谱法
• 在200℃ 吸附吡啶后，由于吡啶分子被质子化，3640cm1吸收带消失，1540cm-1 吸收带出现，而小笼中的 3550cm-1 则基本上不受影响。这表明吡啶的吸附是有选 择性的。这是由于吡啶分子的动力直径较大，只能进入Y 型分子筛的大笼与OI-H作用，而不能进入较小的笼。因 此，这种吸附的选择性属于几何形状的选择性。从而可 用吡啶吸附的红外光谱，判断Y沸石大笼和小笼中的酸性 位。
催化化学--3 固体酸碱催化作用
5
3.4 固体酸碱中心的结构和性质
3.4.1 单一金属氧化物表面酸碱性
以氧化铝为例。Al2O3有多种变体, 作为催化剂主要是 Al2O3, 而-Al2O3等无催化作用。从电负性看, Al2O3表面的羟 基是两性的，如在高温脱水, 表面上就出现强酸中心, 经研究 证明这些酸中心是L酸。 如重新放臵于空气, 这些酸中心就 会消失。对这种现象, Hindin等提出如下模型:
SiO4结构中的硅(4价)有较大的电负性, 可吸引铝原子周
围电子, 这就进一步增大了铝的吸电子性. 使铝原子有 可能通过水裂解放出一个质子而获得羟基.
12
3.4.2 二元金属氧化物表面的酸碱性 当氧化硅-氧化铝表面通过高温加热脱水, 水分子将从 B-部位离开, 这时裸露在外的铝离子将具有接受电子 对的性质，如下图式所示, 形成了L-酸部位. 根据处理 条件的不同， 脱水表面可以是B-酸, 也可以是L-酸， 或者是两种酸都有.
混合氧化物表面上形成酸中心的 Tanable 模型
有所增大，也能成为烯烃异构反应的有效催化剂，工业
上经常采用这种方法来改进 Al2O3 的催化性能。
10
3.4.2 二元金属氧化物表面的酸碱性 无论是氧化铝还是氧化硅，或者这二种干燥氧化 物的机械混合物，都不是活性的裂解催化剂。 但是
它们的胶体混合物，即使主要是氧化硅却都具有相当
活性。这就是说，当氧化铝被引入到氧化硅中时，即 使浓度很小就能形成对裂解反应有催化作用的表面。 或者说，已在表面上形成B-酸或者L-酸。 这是由于 在铝的三水合物和氧化硅的表面烃基之间发生了消除
Peri认为，氧化铝表面脱水过程如下图所示：
OHOHOHOHOHOHOH-
O2O2-
O2O2-
O2O2-
3.4 固体酸碱中心的结构和性质
3.4.1 单一金属氧化物表面酸碱性
以氧化铝为例。Al2O3有多种变体, 作为催化剂主要是 Al2O3, 而-Al2O3等无催化作用。从电负性看, Al2O3表面的羟 基是两性的，如在高温脱水, 表面上就出现强酸中心, 经研究 证明这些酸中心是L酸。 如重新放臵于空气, 这些酸中心就 会消失。对这种现象, Hindin等提出如下模型:
SiO4结构中的硅(4价)有较大的电负性, 可吸引铝原子周
围电子, 这就进一步增大了铝的吸电子性. 使铝原子有 可能通过水裂解放出一个质子而获得羟基.
12
3.4.2 二元金属氧化物表面的酸碱性 当氧化硅-氧化铝表面通过高温加热脱水, 水分子将从 B-部位离开, 这时裸露在外的铝离子将具有接受电子 对的性质，如下图式所示, 形成了L-酸部位. 根据处理 条件的不同， 脱水表面可以是B-酸, 也可以是L-酸， 或者是两种酸都有.
混合氧化物表面上形成酸中心的 Tanable 模型
有所增大，也能成为烯烃异构反应的有效催化剂，工业
上经常采用这种方法来改进 Al2O3 的催化性能。
10
3.4.2 二元金属氧化物表面的酸碱性 无论是氧化铝还是氧化硅，或者这二种干燥氧化 物的机械混合物，都不是活性的裂解催化剂。 但是
它们的胶体混合物，即使主要是氧化硅却都具有相当
活性。这就是说，当氧化铝被引入到氧化硅中时，即 使浓度很小就能形成对裂解反应有催化作用的表面。 或者说，已在表面上形成B-酸或者L-酸。 这是由于 在铝的三水合物和氧化硅的表面烃基之间发生了消除
Peri认为，氧化铝表面脱水过程如下图所示：
OHOHOHOHOHOHOH-
O2O2-
O2O2-
O2O2-
工业催化之第4.1酸碱催化剂及其催化作用
-- 吡啶在SiO2 上的吸附只是物理吸附。150℃抽真空后， 几乎全部脱附，进一步表明纯SiO2上没有酸性中心。
18
Al2O3表面酸性
-- Al2O3表面只有L 酸中心(1450cm-1) ，看不到B 酸中心
19
SiO2-Al2O3表面酸性
--在200℃抽真空后于1600～1450cm-1范围内出现1540cm-1 表面除存在L 酸部位外，尚存在B 酸部位。
20
2) NH3吸附法
a) NH3吸附在L酸中心时，是用氮的孤对电子配位到
L酸中心上，其红外光谱类似于金属离子同NH3的配 位络合物，吸附峰在3300cm-1及1640cm-1处； b) NH3吸附在B酸中心上，接受质子形成NH4+，吸收 峰在3120cm-1及l450cm-1处。
21
图 HZSM-5沸石上B酸、L酸与NH3作用后的红外光谱
25
L酸强度：若固体酸表面能够吸附未解离的碱（指 示剂），并将其转变为相应的共轭酸配合物，且转 变是借助于吸附碱的电子对移向固体酸表面，即：
[A]s + [:B]a
则酸强度函数H0可表示为：
[A:B]
[: B]a H 0 pKa lg [ A : B]
H0的大小代表了酸催化剂给出质子能力的强弱； H0愈小，酸强度越强； H0愈大，酸强度越弱。
《工业催化》
Catalysis in Industrial Processes
授课教师: 胡若飞 化学工程与食品科学学院
1
第4章 催化作用与催化剂
4.1 酸碱催化剂及其催化作用 4.2 非纳米分子筛催化剂及其催化作用 4.3 金属催化剂及其催化作用
4.4 金属氧化物和硫化物催化剂及其催化作用
工业催化原理,第3章_酸碱催化剂及其催化作用
Al2O3表面的脱水过程
OHOHOHOHOH-
O2-
O2- O2-
O2-
O2-
O2-
O2- O2-
O2- O2-
O2-
O2- O2-
O2O2-
O2O2- O2-
O2O2O2-
O2O2-
O2- O2a
O2- O2-
O2-
O2- O2-
a中氧离子具有碱性， b中的Al具有L酸性 :代表Al
b O2O2O2O2- O2O2O2O2O2-
固体酸的强度和酸量
酸强度是指给出质子的能力（B酸强度）或接受电子对 的能力（L酸强度）用函数H0表示
H+
[HA]
+
H0=Pka+㏒[B]a/[BH+]a 测试方法：正丁胺指示剂滴定法测是总酸度和酸强度 气态碱吸附脱附法（NH3，吡啶 等）--程序升温脱附法 （TPD）脱附温度越高酸强度越强。
O2- O2-
O2- O2-
O2-
O2- O2-
酸碱性的测定与酸碱性调节
酸型（L，B）鉴定： 吡啶吸附后红外光谱会出现特征峰
+H N
+
N H+
在红外光谱～1550cm-1处有一特征峰，B型酸。
相反，如和L-酸配位，将得到一种配位化合物
+L N
N
L
这时在～1450cm-1处有一特征峰也可以利用紫外-可见光谱来测 酸型。 这时应采用带共轭体系的吸着分子，如蒽，芘，三苯甲烷等。
TPD表征固体酸性
混合氧化物固体酸和固体碱
O
O
O
O O
Ti O
Si O
O
4/4-2/3=1/3 正电荷过剩为L酸，若负电荷 过剩为B酸。（Tanabe模型）
[整理]固体酸碱催化作用PPT课件
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5.4 固体酸、碱的催化作用
✓酸性位的性质与催化作用关系
•大多数的酸催化反应是在B酸位上进行的 •各种有机物的乙酰化反应，要用L酸位催化 •有些反应，如烷基芳烃的歧化，不仅要求在B酸位上发 生而且要求非常强的酸位 •催化反应对酸位依赖关系复杂，有些反应要求L酸位与 B酸位在催化剂表面邻近共存时才能进行
4. 活性炭1173K下热处理或用 N2O、NH3活化 5.金属氧化物
6.金属盐
7. 复合氧化物
5.2 酸中心的类型及其鉴定 硅铝胶的酸中心
酸量（酸中心表面密度）的测定
酸中心表面密度的测定方法有许多，例如： (1) 水悬浮液碱滴定法； (2) 离子交换后溶剂碱滴定法； (3) 非水溶剂碱滴定法； (4) 量热滴定法； (5) 碱性气体的吸附与解吸法； (6) 对特殊的表面反应碱中毒法； (7) 氢—重氢交换反应法； (8) 指示剂反应法； (9) 光谱法； (10) 色谱法； (11) 氢化物反应法； (12) 其他：如用NaHCO3反应的气体容积测定。
复合氧化物： 二种酸中心：一种是NH3孤对电子结合在其上的中心， 称为Lewis酸中心或广义酸中心，它吸附NH3分子的谱线 在3330 cm-1及1640 cm-1处；另一种是NH3与表面H+作用 生成NH4+的Brønsted酸中心或质子酸中心，其相应的谱 线较弱，位于3120 cm-1及1450 cm-1处
固体酸碱催化作用
5.1 固体酸碱的分类
固体酸的分类
1. 天然粘土类：天然沸石 2. 浸润类： 3. 阳离子交换树脂 4. 活性炭在573K下热处理 5. 金属氧化物和硫化物 6. 金属盐 7. 复合氧化物
固体碱的分类
1. 用碱金属离子或碱土金属离 子处理、交换的合成分子筛 2. 浸润类：
固体超强酸催化剂课件
总结词
固相合成法是一种常用的制备固体超强酸催化剂的方法，通过将不同的活性组分和载体 进行混合、研磨、烧结等物理过程，制备出具有高活性和稳定性的固体超强酸催化剂。
详细描述
固相合成法通常是将活性组分（如金属氧化物、硫化物等）与载体（如硅藻土、氧化铝 等）混合，经过研磨、干燥、烧结等物理过程，制备出具有特定形貌和结构的固体超强 酸催化剂。这种方法具有操作简单、成本低廉等优点，但也可能导致活性组分分布不均
应用领域
广泛应用于石油化工、制药、环保等领域，如烷基化反应、酯化反应、水解反应 等。
优势
与传统的液体酸催化剂相比，固体超强酸催化剂具有不挥发、不腐蚀设备、易于 分离和回收等优点，能够提高生产效率和降低生产成本。
02 固体超强酸催化 剂的活性组分
氧化物活性组分
氧化物活性组分主要包括金属氧化物和金属盐类，如二氧化硅、氧化铝、氧化钛 等。这些氧化物具有较高的酸性和良好的热稳定性，能够提供良好的催化活性。
杂多酸活性组分
杂多酸是由两种或多种氧原子和一种或多种其他元素（如磷 、砷、锑等）结合而成的化合物。杂多酸具有较高的酸性和 良好的热稳定性，能够提供良好的催化活性。
杂多酸活性组分通常采用浸渍法、涂布法或化学气相沉积等 方法负载在载体上，形成固体超强酸催化剂。
03 固体超强酸催化 剂的制备技术
固相合成法
匀、催化剂性能不稳定等问题。
溶胶-凝胶法
总结词
溶胶-凝胶法是一种制备固体超强酸催化剂的化学方法，通过将前驱体溶液进行水解、缩合反应，形成稳定的溶 胶或凝胶，再经过干燥、烧结等处理，制备出固体超强酸催化剂。
详细描述
溶胶-凝胶法通常是将金属盐或金属醇盐等前驱体溶液加入适量的溶剂和酸性催化剂，经过水解、缩合反应形成 溶胶或凝胶。再经过干燥、烧结等处理，制备出具有高活性和稳定性的固体超强酸催化剂。这种方法具有制备条 件温和、活性组分均匀分散等优点，但也可能导致制备过程复杂、成本较高的问题。
固相合成法是一种常用的制备固体超强酸催化剂的方法，通过将不同的活性组分和载体 进行混合、研磨、烧结等物理过程，制备出具有高活性和稳定性的固体超强酸催化剂。
详细描述
固相合成法通常是将活性组分（如金属氧化物、硫化物等）与载体（如硅藻土、氧化铝 等）混合，经过研磨、干燥、烧结等物理过程，制备出具有特定形貌和结构的固体超强 酸催化剂。这种方法具有操作简单、成本低廉等优点，但也可能导致活性组分分布不均
应用领域
广泛应用于石油化工、制药、环保等领域，如烷基化反应、酯化反应、水解反应 等。
优势
与传统的液体酸催化剂相比，固体超强酸催化剂具有不挥发、不腐蚀设备、易于 分离和回收等优点，能够提高生产效率和降低生产成本。
02 固体超强酸催化 剂的活性组分
氧化物活性组分
氧化物活性组分主要包括金属氧化物和金属盐类，如二氧化硅、氧化铝、氧化钛 等。这些氧化物具有较高的酸性和良好的热稳定性，能够提供良好的催化活性。
杂多酸活性组分
杂多酸是由两种或多种氧原子和一种或多种其他元素（如磷 、砷、锑等）结合而成的化合物。杂多酸具有较高的酸性和 良好的热稳定性，能够提供良好的催化活性。
杂多酸活性组分通常采用浸渍法、涂布法或化学气相沉积等 方法负载在载体上，形成固体超强酸催化剂。
03 固体超强酸催化 剂的制备技术
固相合成法
匀、催化剂性能不稳定等问题。
溶胶-凝胶法
总结词
溶胶-凝胶法是一种制备固体超强酸催化剂的化学方法，通过将前驱体溶液进行水解、缩合反应，形成稳定的溶 胶或凝胶，再经过干燥、烧结等处理，制备出固体超强酸催化剂。
详细描述
溶胶-凝胶法通常是将金属盐或金属醇盐等前驱体溶液加入适量的溶剂和酸性催化剂，经过水解、缩合反应形成 溶胶或凝胶。再经过干燥、烧结等处理，制备出具有高活性和稳定性的固体超强酸催化剂。这种方法具有制备条 件温和、活性组分均匀分散等优点，但也可能导致制备过程复杂、成本较高的问题。
工业催化基础》课件第4章酸碱催化剂及催化作用
对温度和压力敏感
虽然酸碱催化剂可以在相对较低的温度和压力下发挥作用，但在某些 情况下，可能需要更高的温度和压力才能获得理想的催化效果。
05
酸碱催化剂的发展趋势与展望
新型酸碱催化剂的研发
总结词
新型酸碱催化剂的研发是未来发展的重 要方向，旨在提高催详细描述
随着科技的不断进步，新型酸碱催化剂的 研发成为研究的热点。这些新型催化剂通 常采用纳米技术、分子工程等先进技术制 备，具有更高的活性和选择性，能够显著 提高催化反应的效率和产物的纯度。同时 ，新型酸碱催化剂的研发也有助于降低环 境污染，实现绿色化学的发展目标。
离子交换树脂催化剂
通过离子交换作用，使树脂带 上酸性或碱性基团，从而具有 酸碱性质，常用于水处理和化
学反应中。
02
酸碱催化剂的作用机制
质子转移机制
质子转移机制是酸碱催化剂发挥作用的重要方式之一。在催 化反应过程中，酸碱催化剂通过提供质子来促进反应的进行 。质子转移通常涉及酸性催化剂中的氢离子或碱性催化剂中 的负氢离子。
04
酸碱催化剂的优缺点
优点
反应条件温和
酸碱催化剂通常在相对较低的温度和 压力下发挥作用，这有助于降低能耗 和减少对设备的苛刻要求。
高选择性
酸碱催化剂可以诱导特定的反应路径 ，从而产生高选择性产物，有助于提 高目标产物的产率和纯度。
广泛应用
酸碱催化剂在众多化学反应中都有应 用，特别是在有机合成和石油化工领 域。
电子转移机制的作用原理是，酸性催化剂通过接受反应物 分子中的电子而使其负电性增强，有利于反应的进行。相 反，碱性催化剂通过提供电子给反应物分子而使其正电性 增强，促进反应的进行。
酸碱催化剂的活性中心
酸碱催化剂的活性中心是指催化剂表面上的特定区域，这些区域具有足够的酸碱强度以促进催化反应的进行。活性中心的性 质和结构对催化反应的选择性和效率具有重要影响。
虽然酸碱催化剂可以在相对较低的温度和压力下发挥作用，但在某些 情况下，可能需要更高的温度和压力才能获得理想的催化效果。
05
酸碱催化剂的发展趋势与展望
新型酸碱催化剂的研发
总结词
新型酸碱催化剂的研发是未来发展的重 要方向，旨在提高催详细描述
随着科技的不断进步，新型酸碱催化剂的 研发成为研究的热点。这些新型催化剂通 常采用纳米技术、分子工程等先进技术制 备，具有更高的活性和选择性，能够显著 提高催化反应的效率和产物的纯度。同时 ，新型酸碱催化剂的研发也有助于降低环 境污染，实现绿色化学的发展目标。
离子交换树脂催化剂
通过离子交换作用，使树脂带 上酸性或碱性基团，从而具有 酸碱性质，常用于水处理和化
学反应中。
02
酸碱催化剂的作用机制
质子转移机制
质子转移机制是酸碱催化剂发挥作用的重要方式之一。在催 化反应过程中，酸碱催化剂通过提供质子来促进反应的进行 。质子转移通常涉及酸性催化剂中的氢离子或碱性催化剂中 的负氢离子。
04
酸碱催化剂的优缺点
优点
反应条件温和
酸碱催化剂通常在相对较低的温度和 压力下发挥作用，这有助于降低能耗 和减少对设备的苛刻要求。
高选择性
酸碱催化剂可以诱导特定的反应路径 ，从而产生高选择性产物，有助于提 高目标产物的产率和纯度。
广泛应用
酸碱催化剂在众多化学反应中都有应 用，特别是在有机合成和石油化工领 域。
电子转移机制的作用原理是，酸性催化剂通过接受反应物 分子中的电子而使其负电性增强，有利于反应的进行。相 反，碱性催化剂通过提供电子给反应物分子而使其正电性 增强，促进反应的进行。
酸碱催化剂的活性中心
酸碱催化剂的活性中心是指催化剂表面上的特定区域，这些区域具有足够的酸碱强度以促进催化反应的进行。活性中心的性 质和结构对催化反应的选择性和效率具有重要影响。
工业催化 -第三章 酸碱催化剂及其催化作用
B（BrÖnsted）酸和L(Lewis)酸的概念
凡是能给出质子的物质称为B酸 NH3 十H3O＋（ B酸）＝NH4＋十H2O
凡是能接受电子对的物质称为L酸 BF3 （ L酸）十 ：NH3 F3B：NH3
固体酸
固体酸：凡能化学吸附碱性物质的固体。 按BrÖnsted和Lewis的定义：
第三章 酸性催化剂及其催化作用
本章重点内容
固体表面的酸性质及其测定方法； 酸中心的形成与结构； 二元氧化物酸中心判定经验规则 固体酸的催化作用
概述
酸性催化剂是石油炼制与化学工业中使用较多的一类催化剂， 如烃类的裂化、烃类的异构化、芳烃和烯烃的烷基化、烯烃的 水合制醇、醇的脱水等反应都使用酸性催化剂。
固体碱强度与碱量源自固体碱强度：表面给出电子对给吸附酸的 能力。 固体碱表面上的碱量，通常表示为单位重 量或者单位表面积上碱位的毫摩尔数，即 mmol/wt或mmol/m2。碱量也称为碱度，指 碱中心的浓度。 测定方法：气态酸吸附质的吸附法，常用 苯酚蒸汽。
酸碱中心对协同作用
对于一些反应，虽然由催化剂表面上的酸中 心所催化，但碱中心也或多或少地起一定的 协同作用。 这种酸-碱中心协同作用的双功能催化剂有 时显示很高的活性。 具有酸-碱中心的双功能催化剂的酸中心、 碱中心强度比单个酸中心或碱中心的强度更 低。
固体表面酸中心的形成与结构
氧化物固体表面的酸性来源
氧化物固体(SiO2,Al2O3)表面的OH 能解 离给出质子: A A-O- +H+（B酸） 当合适的第二种氧化物BO掺入后，可增 强氧化物表面酸性解离常数,通常会增强 好几倍，如SiO2-Al2O3, SiO2,-ZrO2, Al2O3B2O3等 在高温下处理氧化物固体，表面羟基 （OH）脱水形成不完全配位的金属构成
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－ － ～1575 1620
《工业催化》—工业催化剂作用原理
吡啶分子特征峰 不是酸中心峰
吡啶在SiO2 上的吸附只是物理吸附。150 ℃抽真空后,几乎 全部脱附,进一步表明纯SiO2 上没有化学吸附酸性中心
《工业催化》—工业催化剂作用原理
Al2O3表面只有L酸中心(1450 cm-1) ,看不到B 酸中心（1540）
《工业催化》—工业催化剂作用原理
• B酸中心和L酸中心两类 。 • 测定方法：离子交换法、电位滴定法、高温酸性
测定法、红外光谱法、紫外-可见光谱法和核磁共 振法。 • 为了阐明固体酸的催化作用，常常需要区分B酸 中心还是L酸中心。 • 研究NH3和吡啶等碱性物质在固体表面上吸附的 红外光谱可以作出这种区分。
固体表面酸性测定—红外光谱法
• NH3易与质子酸作用形成质子化的NH4+离子，其 N-H弯曲振动在红外光谱中呈现1450cm-1 特征吸 收带。NH3以其孤对电子与L酸配位形成L:NH3， 其红外吸收带出现在1630 cm-1 附近。因为NH3 的这一特性，能够区分质子酸和路易斯酸，通常 使用1450cm-1 和1630 cm-1分别作为质子酸和路 易斯酸的表征。
《工业催化》—工业催化剂作用原理
固体表面酸性测定—红外光谱法
• 吡啶与酸性羟基作用质子化后形成的1540cm-1、1630cm1 吸收带，用于表征B酸位。将HY沸石在500℃ 以上进行 热处理，由于脱羟基过程中伴随的脱铝，使部分质子酸变 为L酸。吡啶吸附后的红外光谱中，出现新的1455cm-1吸 收带，这是L酸存在的特征。与此同时1540 cm-1 吸收带减 弱，说明质子酸减少。吡啶吸附于HY的红外光谱中，还 有1490cm-1强吸收带，这是B酸和L酸与吡啶作用后共同 的吸收带。
《工业催化》—工业催化剂作用原理
（1） NH3为探针分子鉴别 NH3吸附在L酸中心时，是氮的孤对电子配位到L
酸中心上形成的，其红外光谱类似于金属离于同 NH3的配位络合物，吸附峰在3300 cm-1及1640 cm-1 处； NH3吸附在B酸中心上，接受质子形成NH4＋，吸 收峰在3120 cm-1，及1450 cm-1处。 NH3吸附在B酸中心上强度是L酸中心上强度的4 倍。
《工业催化》—工业催化剂作用原理
从图吡啶吸附在SiO2 -Al2O3 表面上的红外光谱。在200 ℃ 抽真空后于1600～1450 cm-1 范围内出现1540cm-1(B 酸 ), 1450(L 酸)。
《工业催化》—工业催化剂作用原理
固体表面酸性测定—红外光谱法
3744，3635， 3545cm-1羟基峰；其 中3635cm-1为强B酸
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工业催化剂作用原理—固体酸 碱催化剂
《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
【酸碱电离理论】S.A Arrhenius(阿累尼乌斯)酸碱 ✓ 能在水溶液中给予出质子(H+)的物质称为酸。 ✓ 能在水溶液中给出羟基离子(OH-)的物质为碱称。 【酸碱质子理称为B酸或质子酸 ✓ 凡是能接受质子的物质称为B碱或质子碱 【酸碱电子理论】G.N.Lewis定义（L酸碱） ✓ 所谓酸，乃是电子对的受体。如BF3 ✓ 所谓碱，则是电子对的供体。如NH3
固体表面酸性测定—红外光谱法
被吸附吡啶的不同吸收带的归属
相互作用类型 物理吸附（室温
可抽除） 氢键（150oC 可
抽除）
L 酸部位
B 酸部位
PyP
PyH PyLI PyLII PyB
波数（cm-1）
1445
1490
1579
1450 1457 1540
1490 1490 1490
1595
1615 1625 1640
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（2）吡啶做探针的红外光谱法
吡啶吸附在B酸中心上形成吡啶离子，其红外特征吸 收峰之一在 l540 －1550 cm-1 附近（l540 ）
吡啶吸附在L酸中心上形成配位络合物，特征吸收峰 在1447—1460 cm -1（1450cm－1）处。
《工业催化》—工业催化剂作用原理
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固体表面酸性测定—红外光谱法
• 用NH3在固体表面上吸附和脱附时，应在 500 K以下进行，高温下NH3 在L酸上离解 为NH2和NH ，它们能取代原有的羟基，干 扰酸性测定。另外氨在某些金属氧化物上， 例如在MnO3 、WO3 、TiO2上，会生成氮 化物。
《工业催化》—工业催化剂作用原理
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固体表面酸性测定—红外光谱法
• 在200℃ 吸附吡啶后，由于吡啶分子被质子化，3640cm1吸收带消失，1540cm-1 吸收带出现，而小笼中的 3550cm-1 则基本上不受影响。这表明吡啶的吸附是有选 择性的。这是由于吡啶分子的动力直径较大，只能进入Y 型分子筛的大笼与OI-H作用，而不能进入较小的笼。因 此，这种吸附的选择性属于几何形状的选择性。从而可 用吡啶吸附的红外光谱，判断Y沸石大笼和小笼中的酸性 位。
《工业催化》—工业催化剂作用原理
目前公认的定义:
凡是能给出质子或者接受电子对的物质称为酸(B 酸或L酸)
凡是能接受质子或者给出电子对的物质称为碱(B 碱或L碱)
NH3十H3O＋＝NH4＋十H2O； BF3十 :NH3 = F3B：NH3
H +
H +
H 3PO 4/硅 藻 土 +R 3N
H 2PO 4-/硅 藻 土 +R 3N H +
吡啶在HY型分子筛上吸附的红外光谱 中心
《工业催化》—工业催化剂作用原理
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固体表面酸性测定—红外光谱法
• HY分子筛在红外光谱中出现两个与酸性羟基有关 的3640 cm-1和3550 cm-1强吸收带和3740 cm-1 弱吸收带，如图所示，3640 cm-1 对应于大笼中 的酸性羟基OI-H，其酸性较强。3550 cm-1 对应 于小笼中的酸性羟基，其酸性较弱。3740 cm-1 对应于沸石骨架末端的Si-OH，其酸性更弱。
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固体表面酸性测定—红外光谱法
• NH3也是强碱性分子，其N上的孤对电子有 比较高的质子亲合势。另外NH3分子的动力 直径较小(0.165 nm)可用于定量测定微孔、 中孔和大孔的内表面酸性，不受孔大小的 限制，因而是常用于酸性测定的探针分子。
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